一種水表無線校驗(yàn)裝置的控制算法設(shè)計(jì)

段爭光，余云飛

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖241006)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，居民住宅里出現(xiàn)了多種類型的智能水表，多數(shù)智能水表能夠用電子裝置記錄、保存用水量信息，也允許這些用水量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。 但智能水表價(jià)格昂貴，傳統(tǒng)的機(jī)械水表目前仍是居民使用量最多的一類[1]。 傳統(tǒng)水表雖然在實(shí)時(shí)讀取用水量信息上有不足之處，但是不影響數(shù)據(jù)的人工讀取，也沒有電能消耗，因而價(jià)格便宜，仍是多數(shù)居民住宅的首選。 傳統(tǒng)的校驗(yàn)裝置在數(shù)據(jù)讀取時(shí)，采用有線通信，由于導(dǎo)線的連接造成測量設(shè)備使用多有不便。 在安裝、調(diào)試的過程導(dǎo)線也限制了校驗(yàn)設(shè)備的使用范圍，同時(shí)，在水表校驗(yàn)完成后的拆裝過程中容易受到水的影響，影響校驗(yàn)的工作效率。 本文針對機(jī)械水表出廠前的校驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，如果水表校驗(yàn)設(shè)備采用無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)、鋰電池供電，不僅使水表可以脫離導(dǎo)線的控制，而且水表校驗(yàn)設(shè)備在安裝、調(diào)試過程中更為便利，也不再具備導(dǎo)線對水表帶來的諸多不利因素，使校驗(yàn)工作的效率得到提升。

本文所設(shè)計(jì)的無線通信水表校驗(yàn)裝置可以更便捷、更快速地實(shí)現(xiàn)對水表校驗(yàn)的操作。 采用ZigBee 無線通信技術(shù)，在一套ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線校驗(yàn)裝置中，可有一個(gè)主設(shè)備和不多于254 個(gè)從設(shè)備，且可滿足200 多個(gè)無線校驗(yàn)裝置同時(shí)存在一個(gè)區(qū)域內(nèi)。 節(jié)點(diǎn)容量完全滿足水表企業(yè)對水表校驗(yàn)的需求。 該校驗(yàn)設(shè)備避免了網(wǎng)絡(luò)布線，具有組網(wǎng)快速、工作能耗低、可移動(dòng)范圍大且數(shù)據(jù)傳輸可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，在水表的校驗(yàn)過程中設(shè)備安裝、調(diào)試更加靈活、快捷和便利。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

水表無線校驗(yàn)裝置的系統(tǒng)包含測量模塊、控制模塊、無線傳輸模塊和供電模塊4 部分。 其中，測量模塊包括信號(hào)發(fā)射電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)指示電路等各功能部件；控制模塊包括CPU、按鍵和用于人機(jī)交互與控制的上位機(jī)軟件；無線傳輸模塊為ZigBee 無線通信電路；供電模塊包括鋰電池供電電路和充電電路功能部件。

CPU 選用CC2530 處理器，采用3.3 V 供電，內(nèi)部具有Flash 存儲(chǔ)器和集成ZigBee 通信功能。 信號(hào)發(fā)射電路用于產(chǎn)生200kHz 的激光脈沖。 激光頭發(fā)射的激光脈沖必須對準(zhǔn)水表齒輪的分度圓處，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，激光脈沖交替地照射在齒輪的齒上和齒槽內(nèi)。 信號(hào)采集電路由激光接收管構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收來自照射到水表齒輪分度圓處反射的激光脈沖。 根據(jù)光的反射定律，激光接收管的位置固定后，只能接收到齒輪齒上或齒輪槽內(nèi)反射的激光脈沖，該激光脈沖經(jīng)激光接收管解調(diào)后，變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生的電脈沖數(shù)等于齒輪的齒數(shù)，故電脈沖信息代表齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，可見，該電脈沖信號(hào)可用于記錄水表的用水量[2]。 信號(hào)指示電路用于指示校驗(yàn)裝置的各種工作狀態(tài)、測量和故障信息。 控制模塊的輸入采用按鍵和上位機(jī)軟件，可獨(dú)立控制測量功能如啟動(dòng)、停止、暫停等命令的操作。 ZigBee 無線通信電路負(fù)責(zé)控制命令信息和水流量數(shù)據(jù)信息的收發(fā)。 上位機(jī)控制模塊除具有校驗(yàn)裝置的通信電路和指示電路外，其傳輸功能是通過串口把測量數(shù)據(jù)送入上位機(jī)。

1.2 硬件電路的實(shí)現(xiàn)

針對水表無線校驗(yàn)裝置的功能要求，硬件電路中用于記錄水表流量數(shù)據(jù)的器件選用激光管，設(shè)備安裝后把發(fā)射的激光束照射在水表轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的分度圓處，根據(jù)水表齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以接收到反射的代表水表流量的激光信號(hào)，經(jīng)激光接收管解調(diào)為矩形電脈沖信號(hào)。 對采集到的代表水流量信息的電脈沖信號(hào)送入CC2530處理器中，CC2530 處理器經(jīng)I/O 端口P2.4 以中斷方式記錄水流量信息的電脈沖信號(hào)。 針對記錄的水流量數(shù)據(jù)根據(jù)要求經(jīng)過處理后，通過無線通信的方式定時(shí)送給上位機(jī)(路由節(jié)點(diǎn))。

為了脫離導(dǎo)線，使用電池供電、提高校驗(yàn)設(shè)備的工作時(shí)長，選用電能存儲(chǔ)容量較大的鋰離子電池。 要使校驗(yàn)設(shè)備更快速、方便地使用，還應(yīng)具備充電功能，電池供電及充電電路如圖1 所示。 在對電池進(jìn)行充電時(shí)，外部電源從右側(cè)輸入，D1 選用肖特基二極管SS14 以實(shí)現(xiàn)電池與電源的隔離，同時(shí)又不影響電池單獨(dú)供電。充電控制電路選擇鋰離子電池充電芯片TP4056，用于實(shí)現(xiàn)4.2 V 恒壓、恒流充電，引腳2 可設(shè)置充電電流，當(dāng)供電電源的電壓為5 V 時(shí)，PROG 引腳電壓為恒定值1 V，如果充電電流設(shè)置為300 mA，則外接電阻R2 應(yīng)為4 kΩ，根據(jù)E96 系列電阻標(biāo)稱值，選擇電阻值為3.92 kΩ。 充電指示發(fā)光二極管D3 亮?xí)r表示充電正在進(jìn)行，充電完成指示發(fā)光二極管D2 亮?xí)r表示充電完成。 其中，TVS 為瞬態(tài)抑制二極管1.5KE6.8CA，用于靜電保護(hù)、吸收浪涌等瞬變電壓，消除電源或外部的電壓干擾。 R1 為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，由于無線校驗(yàn)裝置的工作電流較低，在選用時(shí)，選擇RXEF 系列的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲RXEF010。

圖1 供電及充電電路圖

2 設(shè)備的組網(wǎng)方式

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)

水表無線校驗(yàn)裝置的測量模塊安裝在水表的表盤上，當(dāng)水表的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測量模塊應(yīng)能檢測到代表水流量信息的水表齒輪信息。 測量模塊與控制模塊、無線通信模塊一起構(gòu)成了終端節(jié)點(diǎn)對用水量信息的檢測和傳輸。 ZigBee 無線通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，測量系統(tǒng)的整體框架如圖2 所示。 一個(gè)終端檢測節(jié)點(diǎn)用于一個(gè)水表校驗(yàn)裝置，它將測量的水表用水量數(shù)據(jù)定時(shí)地發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對各個(gè)水表測量的用水量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析，并監(jiān)測。 從而可以判斷各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在校驗(yàn)過程中的異常狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測各終端節(jié)點(diǎn)的目的。 當(dāng)監(jiān)測到有異常終端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)作出響應(yīng)，如可設(shè)置為聲光警示，提醒操作人員對檢測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)或調(diào)整，不用再等到整體校驗(yàn)完成后才發(fā)現(xiàn)異常問題，這樣就節(jié)省了故障判斷的時(shí)間，從而提高了水表校驗(yàn)的效率。 協(xié)調(diào)器將各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)和檢測的數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)中保存。 上位機(jī)的作用就是對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)，為操作人員觀察校驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析產(chǎn)品質(zhì)量提高幫助。

2.2 通信算法實(shí)現(xiàn)

圖2 測量系統(tǒng)整體框架

ZigBee 無線通信使用的頻段為2.4 GHz，在2.4 GHz 頻段內(nèi)的100 MHz 里，除ZigBee 網(wǎng)絡(luò)外，還有藍(lán)牙、WiFi 等。 他們使用的頻段之間相互重疊，如果這些信號(hào)同時(shí)存在于同一區(qū)域內(nèi)，就會(huì)形成共存問題[3]。 即在共存環(huán)境中，各無線網(wǎng)絡(luò)之間不能相互協(xié)商頻率資源的使用，就會(huì)造成無線通信沖突。 雖然各通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，但相互競爭有限的頻譜，造成的相互干擾會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的下降。 為了克服這種由于共存問題造成的影響，考慮到手機(jī)通信使用WiFi 功能較多，我們選用受WiFi 通信影響相對較小的26 號(hào)信道(頻率為2.48 GHz)來盡可能地克服這種異質(zhì)干擾。

由于采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器對終端的通信采用組播方式，數(shù)據(jù)傳輸模式設(shè)定為每個(gè)終端在固定的時(shí)間間隔點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。 可同時(shí)控制各個(gè)終端設(shè)備的啟動(dòng)、暫停和停止。 在終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)采用點(diǎn)播方式定時(shí)地把用水量數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器。 雖然ZigBee 設(shè)備擁有CSMA-CA 算法[4]，但會(huì)造成同質(zhì)干擾和數(shù)據(jù)擁堵。 為了克服這些問題，系統(tǒng)采用對數(shù)比例等分時(shí)間間隔算法，使無線通信具有快速調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，以消除同質(zhì)干擾問題。 具體實(shí)現(xiàn)方法為終端節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送周期T 的固定時(shí)間內(nèi)，根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，采用對數(shù)比例等分時(shí)間間隔，把周期T 分成終端節(jié)點(diǎn)相同數(shù)量的份額，各終端節(jié)點(diǎn)在周期T內(nèi)以此時(shí)間份額對應(yīng)的時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)。 若對數(shù)比例等分時(shí)間間隔過短則遞進(jìn)乘10 次冪以擴(kuò)大時(shí)間間隔。這樣各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器的時(shí)間間隔為T 內(nèi)的一個(gè)對數(shù)比例等分的數(shù)值，各終端發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器的時(shí)間間隔均不相等和協(xié)調(diào)器接收各終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)間與其發(fā)送時(shí)間相對應(yīng)避免協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生擁堵。 各終端節(jié)點(diǎn)也可以快速設(shè)定自身發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間避免同質(zhì)干擾。 各終端節(jié)點(diǎn)設(shè)定的初始發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間值為：

其中，周期T 內(nèi)第k 個(gè)終端的發(fā)送時(shí)間tEndk為對數(shù)比例間隔時(shí)間值，n 表示終端節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。 若時(shí)間間隔過短，在周期T 內(nèi)tEndk逐步乘10，以實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)大時(shí)間間隔的目的，同時(shí)避免發(fā)送的數(shù)據(jù)出現(xiàn)同質(zhì)干擾與擁堵。

水表無線校驗(yàn)裝置有30 個(gè)ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)，各終端節(jié)點(diǎn)以點(diǎn)播方式傳輸數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。 設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)對協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸周期為5000 ms，協(xié)調(diào)端通過組播發(fā)送啟動(dòng)命令給各終端，保證終端發(fā)送數(shù)據(jù)的起始時(shí)間一致。 各終端初始發(fā)送用水量數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器的時(shí)間值如表1 所示，是采用對數(shù)比例等分時(shí)間間隔算法的步進(jìn)數(shù)值，其中2～20 號(hào)終端與其他終端的時(shí)間值間隔過短，均為乘10 后的時(shí)間值。

表1 n = 30，T = 5s 時(shí)的終端初始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間值

3 實(shí)際測試

圖3 終端節(jié)點(diǎn)時(shí)間平均值與設(shè)定值比較圖

圖4 接收數(shù)據(jù)時(shí)間誤差值

根據(jù)對測量數(shù)據(jù)的參數(shù)和格式要求，水表無線校驗(yàn)裝置的每個(gè)終端在一個(gè)周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包的長度為18 字節(jié)，由于調(diào)頻2.4 GHz 對應(yīng)數(shù)據(jù)位的傳輸速率為250 kbit/s，18字節(jié)為144 bit，整個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間為576 μs。 協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)的空間距離以最大75 m 進(jìn)行計(jì)算，無線通信所需要的傳輸時(shí)間為75 m/(3×108m/s)= 0.25 μs，可見，空間距離對數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的影響可以忽略不計(jì)。 也沒必要根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器的距離由近及遠(yuǎn)按初始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間值的大小分配時(shí)間值。 可根據(jù)工程的便利，任意分配終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)初始發(fā)送的時(shí)間值。 在有30 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的水表無線校驗(yàn)裝置上，隨機(jī)抽取各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，記錄100 次協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)的時(shí)間值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟包率極低，可見數(shù)據(jù)的擁堵和無線通信的同質(zhì)干擾也有很大改善。 圖3 是以協(xié)調(diào)器接收到1 號(hào)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)的時(shí)間值作為時(shí)間基準(zhǔn)，計(jì)算接收的各終端節(jié)點(diǎn)100 次的時(shí)間間隔，然后計(jì)算時(shí)間間隔平均值與終端節(jié)點(diǎn)初始設(shè)定的時(shí)間值，對比得到的數(shù)據(jù)。 從圖3 中可以看出兩者的數(shù)據(jù)曲線基本一致。 圖4 為兩者時(shí)間值之差，是終端節(jié)點(diǎn)初始設(shè)定時(shí)間減去接收時(shí)間間隔平均值的誤差，最大誤差不超90 ms。 可見，在終端節(jié)點(diǎn)以對數(shù)比例等分時(shí)間的方式發(fā)送出數(shù)據(jù)后，協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)中雖有少數(shù)節(jié)點(diǎn)接收誤差大，但無丟包情況出現(xiàn)，因此，可知對數(shù)比例等分時(shí)間間隔算法的加入對ZigBee 無線通信來說，不失為一種避免數(shù)據(jù)擁堵和干擾的有效算法。

4 結(jié)語

水表無線校驗(yàn)裝置在采用ZigBee 無線通信后，消除了原有裝置中導(dǎo)線給設(shè)備拆裝帶來的諸多不便，增強(qiáng)了設(shè)備拆裝的靈活性，使校驗(yàn)裝置更加便攜。 采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器對終端節(jié)點(diǎn)使用組播方式控制終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備啟動(dòng)、暫停和停止的同步。 終端節(jié)點(diǎn)使用點(diǎn)播方式定時(shí)把數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集后，通過對數(shù)比例等分時(shí)間間隔算法發(fā)出數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了快速地避免無線通信中的同質(zhì)干擾和數(shù)據(jù)擁堵問題。