摘 要： 針對(duì)工業(yè)地下水管道難以抄收實(shí)際用水量導(dǎo)致無(wú)數(shù)據(jù)參考依據(jù)、無(wú)節(jié)制的濫用水資源這種現(xiàn)象，研發(fā)了一種可以埋在地下的水表數(shù)據(jù)采集通信終端。此終端通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)將水表抄收的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)了抄收用水量。由于終端設(shè)備深埋在地下，為了降低終端節(jié)點(diǎn)功耗和提高抗干擾性，采用了低功耗的Atmega128L單片機(jī)和CC1020無(wú)線收發(fā)芯片。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，該設(shè)計(jì)的功耗和穩(wěn)定性都能夠達(dá)到在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的要求。
關(guān)鍵詞： 低功耗；鋰亞電池；無(wú)線通信；可靠性；Atmega128L
中國(guó)是世界上缺水國(guó)家之一，人均水資源量為2 238.6 m3 ，僅相當(dāng)于世界人均占有量的1/4，是世界人均水資源極少的13個(gè)貧水國(guó)之一[1]。而在現(xiàn)代化工業(yè)中，工業(yè)用水量急劇增加，水資源供需矛盾將更為突出，缺水已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的制約因素。為了提高我國(guó)工業(yè)的節(jié)水率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)深埋在地下的水管道漏水現(xiàn)象，研究并設(shè)計(jì)了一種能深埋地下的無(wú)線抄表終端。
1 總體結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集通信終端長(zhǎng)期深埋在地下，就要求抄表終端功耗低、抗干擾性好、通信距離遠(yuǎn)和防潮性強(qiáng)。綜合以上要點(diǎn)，終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
為了降低抄表終端功耗，數(shù)據(jù)采集通信終端采用了超低功耗處理器Atmega128L和低功耗集成射頻芯片CC1020。由于終端在地下，供電可以采用布線到地下或者是在終端安裝電池兩種方法。但是兩種方法各有弊端。如果布線到地下，不僅施工費(fèi)力、浪費(fèi)資源，而且供電電壓要在36 V防爆電壓以下，大大增加了布線的難度；如果在終端安裝電池，就會(huì)帶來(lái)定期更換電池的麻煩。由于設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集通信終端盡可能做到了節(jié)約用電量，所以由實(shí)驗(yàn)分析得到了電池更換周期大約是10年。在抗干擾方面主要做到四點(diǎn)：(1)硬件設(shè)計(jì)細(xì)化了無(wú)線射頻模塊與Atmega128L間的布局走線；(2)電池加裝了濾波器，以減少電源噪聲對(duì)芯片的干擾；(3)讓晶振與芯片引腳盡量靠近，并用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定；(4)在無(wú)線部分加用屏蔽罩進(jìn)行電磁屏蔽提高系統(tǒng)的抗干擾性。為了解決地下潮濕給終端節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的損壞問(wèn)題，整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的外觀粘上一層防水膠，以達(dá)到IP68防水標(biāo)準(zhǔn)。
1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
自動(dòng)抄表系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著各水表數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，并根據(jù)需要向上一級(jí)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊選用無(wú)源直讀式水表的原因是其低功耗。無(wú)源直讀式水表的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)平時(shí)不工作、不用電、無(wú)功耗(所以稱無(wú)源)；抄表時(shí)讀取的是水表實(shí)時(shí)字輪數(shù)字(所以稱直讀)。水表計(jì)數(shù)器如圖2所示，字輪側(cè)剖圖如圖3所示。
其原理是在每一位字輪的一側(cè)設(shè)置固定的光電發(fā)射源(如圖3中1)，發(fā)射源發(fā)射出的光通過(guò)透光孔(圖3中3)，被位于字輪另一側(cè)固定的接收管(圖3中2)接收到。將接收到的信號(hào)通過(guò)信息編碼識(shí)別技術(shù)，識(shí)別出字輪上0~9這10個(gè)數(shù)字。計(jì)算機(jī)中的信息編碼識(shí)別技術(shù)用4個(gè)bit位就可以表示10個(gè)數(shù)字，但由于海明編碼規(guī)則還應(yīng)該增加1個(gè)bit位用于校驗(yàn)，所以每個(gè)字輪應(yīng)有5對(duì)光電發(fā)射源和接收管以及字輪上的5個(gè)數(shù)字有透光孔。其實(shí)際上是利用多個(gè)接收點(diǎn)的不同位置狀態(tài)來(lái)判斷字輪轉(zhuǎn)到了什么數(shù)的位置，從而確定所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)[2]。即：當(dāng)發(fā)射源和接收管之間處于不透光的位置時(shí)，感應(yīng)裝置輸出的信號(hào)設(shè)為高電平；當(dāng)發(fā)射源和接收管之間處于透空的位置時(shí)，感應(yīng)裝置輸出的信號(hào)設(shè)為低電平。一個(gè)字輪所有感應(yīng)裝置的輸出構(gòu)成了這個(gè)字輪的信息編碼，從而可得到字輪上的數(shù)字。將每個(gè)字輪上的讀數(shù)傳送給無(wú)線收發(fā)模塊CC1020，并由其發(fā)送出去，便實(shí)現(xiàn)了水表的遠(yuǎn)程抄讀。
1.2 無(wú)線通信模塊
無(wú)線通信模塊用于終端節(jié)點(diǎn)與集中器之間的數(shù)據(jù)通信。此模塊選用Chipcon公司的無(wú)線射頻芯片CC1020。CC1020是一種理想的超高頻單片收發(fā)器芯片，其基于0.35 μm CMOS的Chipcon的SmartRF-2技術(shù)，低電流消耗(接收模式：19.9 mA)，低供給電壓(2.3 V~3.6 V)[3]，使用時(shí)只需極少的外部元件，其性能穩(wěn)定，并且采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)來(lái)提高數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力。通常情況下，在載波頻率是433 MHz、接口模特率是9 600 kb/s時(shí)，空曠場(chǎng)所可靠傳輸距離可達(dá)800 m以上。
無(wú)線通信模塊電路如圖4所示。主要由晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路以及與微控制器的接口電路三部分組成。微控制器通過(guò)4線SPI總線與CC1020相連接，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信模塊的工作模式設(shè)置、緩存讀/寫，以及狀態(tài)寄存器讀/寫等功能。
1.3 電源
系統(tǒng)供電選用型號(hào)是ER3415M鋰亞電池(鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池)，其標(biāo)稱容量為14 500 mAh、額定電壓為3.6 V，能夠提供較高的能量比，具有非常好的溫度特性和極小的自放電，使用率可達(dá)90%以上[4]。電壓檢測(cè)芯片選擇的是小功率的MCP111芯片。檢測(cè)電壓設(shè)定無(wú)線模塊支持的最低電壓為3 V，當(dāng)電源電壓高于檢測(cè)電壓時(shí)，MCP111輸出保持高電平；若低于檢測(cè)電壓時(shí)輸出將變?yōu)榈碗娖剑⑻嵝央姵仉娏康牟蛔恪ｋ妷旱吞岢鰣?bào)警后，仍能保證采集通信終端正常工作三個(gè)月，提供足夠更換電池的時(shí)間。
終端主要耗電部分為無(wú)線通信模塊CC1020和單片機(jī)Atmega128L。由數(shù)字萬(wàn)用表DT9806測(cè)量采集通信終端休眠時(shí)電流約為14.7 μA，可算出休眠一天的電量消耗為14.7 μA×24=352.8 μA。運(yùn)行時(shí)完成一次通信過(guò)程的平均電流為64.6 mA，一次通信時(shí)間為2 s，每天采集并發(fā)送一次數(shù)據(jù)，一天的工作電量消耗為129.55 mA。在電池使用率為90%時(shí)，可以估算出采集通信終端電池可以使用10年以上。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 集中器與采集器通信協(xié)議
為確保集中器與采集器之間能夠順暢地進(jìn)行通信，采用主-從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式，設(shè)計(jì)通信協(xié)議如表1所示。
根據(jù)CJ/T188-2004《用戶計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》，幀起始符是表示一幀信息的開始，規(guī)定為68H；儀表類型是采集通信終端的水表類型，本終端為冷水表，儀表類型是10H；地址域是識(shí)別每個(gè)采集終端的唯一標(biāo)識(shí)，由7個(gè)字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)為2位BCD碼，地址長(zhǎng)度為14位十進(jìn)制數(shù)，最少可接入上千億個(gè)終端；控制碼定義了通信規(guī)則[5]；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，用十六進(jìn)制表示，讀終端數(shù)據(jù)時(shí)L不大于64H，寫終端數(shù)據(jù)時(shí)L不大于32H，L=0時(shí)無(wú)數(shù)據(jù)域；數(shù)據(jù)域?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、序列號(hào)和數(shù)據(jù)；校驗(yàn)碼用來(lái)檢驗(yàn)該組數(shù)字的正確性，采用偶校驗(yàn)；結(jié)束符標(biāo)識(shí)一幀信息的結(jié)束，規(guī)定為16H。
字節(jié)格式為每字節(jié)含8位二進(jìn)制碼，傳輸時(shí)加上一個(gè)起始位(0)、一個(gè)偶校驗(yàn)位(E)和一個(gè)停止位(1)，共11位，先傳低位后傳高位。
2.2 采集通信終端軟件設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)上的軟件負(fù)責(zé)完成用戶數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)包傳送至數(shù)據(jù)集中器。終端節(jié)點(diǎn)遵循休眠-被喚醒-正常工作-休眠的循環(huán)工作模式。在休眠狀態(tài)下，處理器停止工作，無(wú)線模塊處于休眠狀態(tài)。當(dāng)終端接收到內(nèi)部定時(shí)器的喚醒命令后，終端節(jié)點(diǎn)被喚醒，處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等命令。為了確保集中器能夠收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，集中器要返回給終端節(jié)點(diǎn)一個(gè)收到數(shù)據(jù)指令。這樣做可以在軟件上盡量降低丟包率和系統(tǒng)的功耗。終端節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程如圖5所示。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
為了測(cè)量數(shù)據(jù)采集通信終端的丟包率和正確率，分別選取疊加厚度為70 cm的墻壁和空曠地帶進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如表2所示。
對(duì)比在有障礙物和空曠地帶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，障礙物的阻擋導(dǎo)致丟包率和正確率的下降、傳輸距離變小，嚴(yán)重影響了通信的可靠性。對(duì)比不同通信距離的空曠地帶數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，傳輸距離越遠(yuǎn)，丟包率越高、正確率越低。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及反復(fù)實(shí)驗(yàn)情況，得出影響水表采集通信終端可靠性的主要因素有兩個(gè)：傳輸距離與障礙物的阻擋情況；其他無(wú)線技術(shù)的干擾。為了解決以上問(wèn)題提高系統(tǒng)的可靠性，可采取如下措施：在硬件設(shè)置上提高發(fā)射功率；在軟件設(shè)計(jì)上，增加接收反饋幀以及超時(shí)重發(fā)。實(shí)驗(yàn)證明，在數(shù)據(jù)采集通信終端在地下時(shí)，完全可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。
低功耗無(wú)線水表數(shù)據(jù)采集通信終端的設(shè)計(jì)和研究，實(shí)現(xiàn)了地下水表數(shù)據(jù)抄收的功能，解決了地下水抄收困難的問(wèn)題。相信這種自動(dòng)抄表技術(shù)將會(huì)在工業(yè)節(jié)水方面得到很好的應(yīng)用和更好的發(fā)展，也會(huì)為水表、電表、氣表、熱表的融合提供更好的支持。
參考文獻(xiàn)
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