基于nRF905的無線水表自動抄表系統(tǒng)設計

張在新，孔繁軍

（1.92330部隊 山東 青島 266103；2.中國船舶重工集團公司第七一九研究所 湖北 武漢 430064）

全國大部分新建居民小區(qū)除了引用綠色生態(tài)的概念外，還在整體設計中引進了智能化居住小區(qū)的理念，以提高居民的生活質量，自動抄表系統(tǒng)也是智能化居住小區(qū)的一個重要技術環(huán)節(jié)，住宅遠傳系統(tǒng)是信息技術發(fā)展的一個大趨勢，無線水表抄表系統(tǒng)正是其中的一個重要部分。

目前集中器跟主站之間的通信技術已經(jīng)成熟，關鍵技術就在于集中器與各個模塊之間的通信。其主要的通信方式有：RS-485總線方式、電力線載波方式、無線方式、紅外方式。根據(jù)我國的區(qū)域不同以及建筑特點的不同這幾種通信方式必將共存一個時期。電力線載波方式在傳輸可靠性方面的問題很長一段時期內還不能很好的解決，這種方式也不太適合我國電網(wǎng)；紅外方式也不能適應智能化小區(qū)的要求，仍然費時費力；無線方式則以安裝和維護難度低、很好的滿足智能化需求而倍受推捧，雖然還沒有被大范圍普遍應用，但是無線抄表是將來發(fā)展的一個必然趨勢[1]。

1 概 述

1.1 無線水表抄表系統(tǒng)簡介

無線水表抄表系統(tǒng)是水表單元定時或者定量的將用戶用水量以無線傳輸方式發(fā)送到某固定站點，然后在由抄表終端或者GPRS等方式集中抄走的一種自動化集中抄表系統(tǒng)。它比傳統(tǒng)的手工抄表相比有如下優(yōu)勢：1）工作效率上得到極大的提高，并且保證數(shù)據(jù)準確可靠。2）能及時的發(fā)現(xiàn)水表故障，減少損失。3）系統(tǒng)運行成本低，大大減少了手工抄表所用的人力物力、出車等費用。4）抄表時間靈活，不受用戶制約，避免了手工抄表員入戶難的問題。5）具有自動報警功能，及時發(fā)現(xiàn)非法用水和盜水等現(xiàn)象[2]。

1.2 工作原理

無線遠傳水表正常狀態(tài)下工作在低功耗模式，CPU休眠、無線傳輸模塊關閉，電流消耗幾乎為零，采用定量發(fā)送的工作模式，即當水表的電子計數(shù)每積累到一定量的時候（比如100升），水表電子單元CPU被喚醒，然后開啟無線傳輸模塊，轉到工作模式并且處于發(fā)射狀態(tài)，此時水表的數(shù)據(jù)更新，水表電子單元將當前的水表脈沖計數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器，發(fā)送完畢后，繼續(xù)恢復到正常待機狀態(tài)的低功耗模式。水表采樣標準的脈沖信號，可以適合任何一種采用脈沖傳感器式的水表基表（偉根式傳感器或干簧式傳感器）。

1.3 技術難度

同樣是無線抄表系統(tǒng)，相對于電表而言，水表的抄表系統(tǒng)存在更多的技術難題，這主要體現(xiàn)在抄表終端的設計上。歸納起來，水表的抄表終端必須解決以下幾個方面的問題：

1）供電 由于水表的抄表終端采用電池供電，因此，對功耗要求非?？量蹋?jīng)常性的更換電池也是不現(xiàn)實的。一般而言，電池的使用時間至少要達到5年，這取決于電池的容量、設備的耗電情況、設備的運行要求等等因素。

2）仿水 水表所處的特殊環(huán)境總是與水、潮濕分不開的，因此，抄表終端必須在防潮、防水方面仔細考慮，要能夠在這樣的環(huán)境下長時間正常工作。

3）成本 無論是家庭用戶，還是企業(yè)用戶，抄表終端的成本始終是繞不開的話題，特別是家庭用戶，對于成本更為敏感。這里的成本包括兩個部分：第一，一次性改造或者安裝的成本；第二，系統(tǒng)的運行成本。最好的方案應當是一次性投入的成本盡可能低，運行成本沒有或者非常低。

4）對水表的故障檢測 人工抄表除了抄讀水表讀數(shù)外，同時還擔負著檢查水表工作是否正常的任務。如果改為自動抄表系統(tǒng)，那么該系統(tǒng)應當也具備對水表故障的自動檢測功能。當然，這需要水表與抄表終端的配合才能實現(xiàn)。

5）計量的準確性、通信的可靠性 這是無線抄表系統(tǒng)的最基本的要求，但同時又是不很容易解決定問題。因為無線通信很容易受到一些金屬、房屋結構的屏蔽，還有一些無線信號頻率相近的電波干擾問題。這需要將硬件設計、軟件設計以及現(xiàn)場配置綜合起來考慮，將系統(tǒng)通信可靠性能達到最高。

6）通信協(xié)議及數(shù)據(jù)安全 目前沒有一個通用的無線通信協(xié)議出臺，這樣不同的無線設備就不能做到相互兼容，需要自己定義一個比較合理的通信協(xié)議；另外無線通信的頻段相對較為固定，很容易被檢測到，這就需要在數(shù)據(jù)安全方面加強防范措施。

2 國內外發(fā)展概況

國外已經(jīng)有了無線抄表系統(tǒng)的應用，大部分已經(jīng)發(fā)展的很成熟，但是國外產(chǎn)品在國內應用還很少，目前已經(jīng)有一些國外產(chǎn)品在國內打市場，也有一些國內代理，比如法國CORONIS公司的WAVENIS技術，其技術含量較高，性能比較好。

當前我國住宅遠傳系統(tǒng)是信息技術發(fā)展的一個大趨勢，目前已經(jīng)形成了一個專門的行業(yè)，就像電視電話一樣，在國內存在著巨大的市場，面對這塊“大蛋糕”，國內一些企業(yè)爭先恐后的加入，但是系統(tǒng)的可靠性和兼容性還不夠完善，大部分遠傳產(chǎn)品還不能做到跟基表同樣長的使用壽命，產(chǎn)品使用年限到達后如何解決也是一個問題。

1.當出現(xiàn)發(fā)動機抖動、報失火故障時，先分析原理，再動手檢修。之前反復更換點火線圈和火花塞而無法徹底排除故障，就是因為沒有吃透發(fā)動機工作原理，不能全面診斷故障原因。

在水行業(yè)的信息化過程中，戶表數(shù)據(jù)的自動抄送具有十分重要的意義，也是行業(yè)單位想要迫切解決的問題，水表數(shù)據(jù)的準確性、及時性直接影響到行業(yè)單位的信息化水平、管理決策、經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的手工抄表費時、費力，準確性、及時性等都得不到可靠的保證，特別對于地域廣闊、戶表分散的地區(qū)，人工抄表更是費用高昂、效率低下，行業(yè)的實際需求催生著自動抄表系統(tǒng)的出現(xiàn)。

3 系統(tǒng)解決方案

3.1 硬件設計

3.1.1 電源解決方案

交流電接入水表電子單元，安裝不便，而且水表使用環(huán)境潮濕，存在安全隱患，還需考慮停電后，戶用計量儀表應能正常工作一段時間，故仍需設計后備電池；若使用外接干電池就必須考慮在電池被取下后能關閥，故電路設計復雜，可靠性降低，將產(chǎn)品的成本轉價到了用戶身上，使用費用大大提高，電池漏液、電池接電片的銹蝕、氧化等因素的存在也降低了系統(tǒng)的可靠性。

利用鋰電池能量大、自放電率低、貯存時間長等特點，將鋰電池作為一個電子元件封裝于儀表中，在儀表的壽命期內不需要更換。電池直接焊于電路板上，不會出現(xiàn)電壓突然下降的情況，故只需有電池電壓檢測電路，而不需掉電保護電路。

系統(tǒng)采用鋰電池方案的優(yōu)點有：1）減少了由用戶參與的環(huán)節(jié)，使用上方便了用戶。2）不需更換電池，用戶使用成本降低。3）電路及結構設計均更加簡單，大大提高了可靠性。隨著軍品鋰電池制造技術的民品化、加工工藝的不斷完善及價格的下降，將鋰電池作為戶用計量儀表的電源得到各方的認可。

3.1.2 硬件電路連接

無線抄表系統(tǒng)的硬件電路主要包括電源、CPU接口電路、EEProm、通信模塊、報警部分、水表接口電路、無線通信電路等幾個部分。

系統(tǒng)采用PIC16F873A做為處理器，RB6、RB7電位變化中斷來采集水表脈沖計數(shù)；RC0、RC1模擬I?C串行接口連接EEProm，進行數(shù)據(jù)保存；RA0、RA1用來指示和連接報警；RC6、RC7設置為RX、TX用于串口通信；其它部分及無線通信電路如圖1所示[5]。

nRF905輸出端 ANT1、ANT2外接 50Ω單天線終端裝置，外圍元器件配置見圖2所示。PCB版面設計的地網(wǎng)層在底面，在板上頂層元件的周圍沒有接地面，以確保臨近元件的充分接地，板的頂層接地面通過很多過孔與底面接地網(wǎng)連接，在天線下面沒有接地網(wǎng)，nRF905芯片以及外圍電路部分PCB布板采用最小布板原則。無線通信元器件的選擇都很精密，而且電路布版時，元器件的擺放，電路走線，通孔等都必須經(jīng)過多次試驗才能達到最好的理想效果[4]。

nRF905是挪威Nordic公司的產(chǎn)品。該芯片采用+3 VDC供電，面積為5 mm×5 mm，共有32個外部引腳，具有433/868/915 MHz三波段載波頻率。它由一個完全集成的頻率調制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶體振蕩器和一個調節(jié)器組成，抗擾能力強，支持多點通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達0.1 Mbps。具有特有的ShockBurst信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效避免數(shù)據(jù)沖突，能夠很容易地通過SPI接口進行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10 dBm時，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為12.5 mA，進入POWERDOWN模式可以很容易實現(xiàn)節(jié)電[3]。

3.2 軟件設計

3.2.1 無線通信協(xié)議

當nRF905工作在接收模式時，引入的數(shù)據(jù)包地址與器件自身地址相同時，才可以繼續(xù)接收下面的數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)還要遵循一定的數(shù)據(jù)格式，如表1所示。

圖1 CPU電路接口Fig.1 CPU interface circuit

圖2 nRF905電路Fig.2 nRF905 circuit

表1 數(shù)據(jù)格式Tab.1 Data format

Addr為發(fā)送單元地址；Payload為有效加載數(shù)據(jù) （包括OffsetAdd偏移地址、RID發(fā)送機識別碼、Data數(shù)據(jù)）；最后為CRC校驗碼。Addr包含4個字節(jié)，OffsetAdd為一個字節(jié)，RID包括4個字節(jié)，Data有7個字節(jié)（包括發(fā)送機類型碼、發(fā)送機狀態(tài)、倍率和4個字節(jié)的水表計數(shù)值）。故需要配置nRF905接收和發(fā)送數(shù)據(jù)寬度為14字節(jié)。

接收時，地址匹配后，nRF905先接收一數(shù)據(jù)包，分別驗證OffsetAdd、RID和CRC正確后，再將Payload數(shù)據(jù)送入微控制器處理；當接收機微處理器判斷Payload中的RID有效時，繼續(xù)處理后續(xù)數(shù)據(jù)，否則放棄該數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)合法，最后將數(shù)據(jù)存放在偏移地址為OffsetAdd的EEProm存儲器中。

3.2.2 無線模塊初始化

在nRF905模塊中，特殊寄存器RF-Register包含10個字節(jié)，其配置字內容可決定nRF905的工作特性，表2列出本設計中特殊寄存器RF-Register需要配置的基本參數(shù)。

表2 RF-Register寄存器基本參數(shù)配置表Tab.2 RF-Register parameter configuration

系統(tǒng)的通信模塊器件工作在433 MHz頻段，選用432.4 MHz的中心頻率，輸出功率設置為nRF905所允許的最大功率+10 dBm，以確保通信 果。允許自動產(chǎn)生CRC校驗碼，以減小CPU工作負擔。系統(tǒng)通訊時，各模塊處于正常接收狀態(tài)，收發(fā)使能位TRX_CE=1且方式選擇位TX_EN=0。在發(fā)送數(shù)據(jù)條件符合后，可由用戶編程修改TX_EN=1使各字節(jié)工作于發(fā)射狀態(tài)。

設定接收器和所有發(fā)送單元的地址Addr均為0Xc5h，這樣，整個系統(tǒng)內接收器和所有發(fā)送單元之間可以互相通訊，其它頻段和其它地址的數(shù)據(jù)包則不會被接收，從而避免了其它系統(tǒng)的干擾。

3.2.3 功能需求設計

1）節(jié)電設計

為了達到電子模塊能夠使用6年以上的目標，除了使用大容量鋰電池之外，還需要在軟件方面進行降低功耗的設計。

首先要降低CPU部分的功耗，CPU有三個耗電大戶有：第一大戶是懸空的輸入腳，第二大戶為引腳弱上拉時IO口接地或被置為低電平，第三大戶為BROWN OUT DOWN RESET（電壓過低復位）功能開啟。在CPU睡眠時，要將沒有使用的CPU引腳設為輸入模式并上拉，將被占用的CPU引腳設為輸入模式或置為某一固定的電平，保證與其電氣連接的部分沒有電流消耗。由于系統(tǒng)電壓過低后會報警，提醒用戶電量不足，所以在編程時將電壓過低復位功能關閉掉，可以節(jié)省很大的電能消耗。

通信模塊是最耗電的部分，系統(tǒng)上電，所有初始化工作完成后，CPU則進入睡眠狀態(tài)，同時將nRF905芯片的PWR_UP引腳置0，關閉其電源，當CPU被計數(shù)中斷喚醒后，會查詢是否達到數(shù)據(jù)發(fā)送條件，若符合條件則將PWR_UP引腳置1，打開通信模塊電源，在處理完數(shù)據(jù)發(fā)送任務后，整個系統(tǒng)重新回到低功耗模式。

2）水表計量及故障檢測

水表計量是RB6和RB7兩個CPU引腳通過中斷方式采集水表的發(fā)送脈沖，每當兩個引腳先后經(jīng)歷一次電平高低變化，則完成一次正常計數(shù)采集；若兩個引腳同時為0，則水表脈沖計數(shù)器處于強磁狀態(tài)，CPU會記下此刻狀態(tài)并發(fā)送到接收器；若某個脈沖為尖峰脈沖，沒有達到一定的脈沖寬度值，則視為干擾。

每隔一定時間系統(tǒng)開啟AD功能，監(jiān)測電源電壓，一旦電池電壓值跌落到一定程度則啟動報警裝置，通知用戶電量不足，并將低電壓狀態(tài)發(fā)送到接收器通知管理員更換設備[6]。

3）數(shù)據(jù)可靠性設計

系統(tǒng)初始化要首先檢測EEProm存儲器中的數(shù)據(jù)是否在正常范圍內，若正常則加載，否則系統(tǒng)會使用某一默認值。接收器在每次接收到數(shù)據(jù)后都會和上一次數(shù)據(jù)進行比較，符合條件才會將EEProm數(shù)據(jù)更新。

另外，在通信協(xié)議中，指定了頻段和地址匹配保證通信可靠，數(shù)據(jù)包中的ID號檢測和校驗碼驗證保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結束語

文中根據(jù)nRF905的工作特點，通過構建新的通訊協(xié)議，將其應用于無線水表自動抄表系統(tǒng)，此方案硬件電路連接簡單，易于調試，各節(jié)點編程具有通用性。系統(tǒng)最終測試達到了預想的性能指標，在正常工作狀態(tài)下電子模塊的電流消耗小于1 μA，系統(tǒng)對通信可靠性和數(shù)據(jù)安全性也進行了充分的考慮。將系統(tǒng)信號采樣部分稍加改造，可以應用于智能家庭、智能樓宇、溫濕度采集、遠程抄表等各種近距離無線數(shù)據(jù)傳輸領域，因此，具有較高的實用推廣價值。

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