无线抄表系统的设计方法及可靠性策略

长期以来，三表数据抄送问题都是相关供应部门非常想解决但又得不到切实解决的问题。在行业信息化过程之中，户表数据的自动化抄送具有非常重大的意义，因为户表数据是相关行业销售过程中最原始的数据，这个数据的准确度和及时性直接影响了行业内部其它信息化水平。

传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据。一般手工抄表都按月抄表，对于用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行更深层次的分析和管理决策却不够。

图1：无线抄表的一个节点原理框图。

无线抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即数据可靠性要求很高。由于用电池供电，因此对功耗要求也很苛刻。无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用数据通讯协议传输数据。基于以上原因，贝能科技开发出了BN-CB-100自动无线远传抄表系统，该系统具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等远程抄表系统的优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。

无线数字抄表系统由中央处理器、电源模块、通讯模块以及显示模块等部分组成，如图1所示。下面将对组成系统的主要模块进行说明。

单片机：数据处理单元

数据处理单元的单片机主要侧重于多项功能的开发，选择时主要从功能、抗干扰、功耗、速度等几个方面考虑。本系统采用Microchip单片机PIC18LF6490作为数据处理单元，该单片机具有以下特点：具有集成的LCD控制器驱动模块、高性能RISC CPU、优化的C编译器结构/指令系统、高达10MIPS的工作速度、中断优先级、单周期硬件乘法器、高吸入/拉出电流、3个外部中断引脚、4个定时器、CCP模块、主同步串行端口模块、10位A/D转换器和低功耗等性能特点，因而软硬件设计十分方便。

液晶显示

显示采用LCD液晶显示器，PIC18LF6490具有集成的LCD控制器驱动模块，从而节省了外挂的液晶驱动芯片，减少了外部引线，节省了空间和成本，提高了可靠性，在睡眠状态下可继续显示，明显地降低了功耗。液晶显示器用于显示系统当前的状态、内部参数及当前的统计数据等。

RF模块

1. RF模块的特点

本方案采用纳川容科技研制的RF模块产品，该模块采用高性能CPU和高性能无线数传模组内核整合而成，其主要特点包括：

标准异步串行接口(UART：1个起始位、8个数据位、1个以上停止位、0或1个校验位)，方便与各种控制器的硬件串口连接，使用起来非常方便；

数据直接传输，自动静噪，过滤掉空中假数据，所收即所发；

半双工通信，收发自动切换，使用上非常方便；

模块内置高性能MCU实现前向纠错处理，通信可靠性大大提高，误码率非常低；

可以硬件跳线选择多个独立互不干扰信道，有多档波特率及串口模式设置；

可以串口软件设置无线频道，实现软件跳频；

3.3V/5V兼容TTL、RS232、RS485多种接口电平选择，使用更加灵活；

DC3.0－8.0V宽工作电压，电源可以I/O控制关断，降低功耗。

由于采用软件纠错编码增益，相同辐射功率条件和同一误码率指标下，带前向纠错处理的RF模块通信距离要远高于一般的无线数传模组或不带前向纠错处理的RF模块。

2． RF模块的通信处理流程

RF模块的通信处理流程如图2所示，其中：

发送缓冲与接收缓冲是为了匹配用户接口和无线接口速率而设计，采用FIFO方式，支持大批量连续数据传输，安全可靠；

纠错编解码采用成熟的卷积码纠错技术，可以将误码率由10^-3减小到10^-6，并且有3dB左右软件编码增益，进一步提高了传输的可靠性；

交织的目的是为了将连续的错误离散成不连续的单比特错误，提高抗连续干扰的能力，但带来了传输延时。RF模块采用256比特，即16×16交织，可以抵抗一般人员走动、汽车通过等环境下对无线传输造成的误码干扰，由此引起的传输延迟在用户接口速率为9,600bps时约20ms，使用时应予以注意；

信号编解码的目的是将信号辐射功率谱集中，并有利于接收机信号解码；

卷积码前向纠错处理的方式比ARQ差错控制方式效率要高，尤其是在随机干扰比较大的情况下，由于其良好的纠错性能，效率要远高于ARQ模式。例如，ARQ方式下，传输一个256比特的数据包，如果其中一个比特错误就需要重传，而采用卷积码前向纠错处理的方式，16×16交织的RF模块，即使其中连续16比特传输错误，接收方也可以通过软件纠正过来，用户不会收到误码，这样效率更高。

3．RF模块的天线

使用焊盘引线来连接天线的模组，一般建议使用微型的PCB天线或直导线来做天线，直接将天线引出线焊接在模组的天线焊盘上，天线引出线的长度越短越好。天线地根据天线的要求可接可不接，但PCB天线一般要求接地。

使用直导线做天线时，请使用5N(99.999%)以上优质硬直铜导线，线径越粗越好，一般使用普通的单根百兆以太网网线做天线即可取得比较好的效果。

使用直导线做天线时，天线长度=7,150/工作频率，单位为厘米。所计算出的天线长度是天线直立的长度，如果天线放在壳体里或盘绕起来，天线所需长度将变化，推荐的做法是用计算长度1.5倍长度导线做天线，然后剪断5mm(这是个经验值，可以根据实际测试通信距离来确定这个值)，缩短天线长度，实际测试通信距离来确定最佳天线长度。

如果天线需要在设备壳体上穿孔引出时，请使用50Ω低损同轴电缆或标准SMA接头延长线将天线延长引出，同轴电缆芯线与模组天线焊盘焊接，屏蔽层与天线地(没有天线地时用电源地)焊接，选择弯曲半径小的电缆将有利于电缆的弯曲布置，使焊盘不易撕裂。

图2：RF模块的通信处理流程

亦可用直角头SMA接头将RF模块的SMA引出头折弯，直接安装在壳体上或穿出，但直角头SMA将额外引入1-2dB的插入损耗。

使用拉杆天线时，直接将拉杆天线焊接在天线焊盘上或用低损同轴电缆来连接，电缆的芯线连接模组的天线焊盘和拉杆天线，屏蔽层一端焊接在天线地上，靠近拉杆天线一端浮空。

4．RF模块的注意事项

不要带电热拔插RF模块，否则很容易损坏RF模块；

组网协议设计中，务必保证在一个频点上，且同一时刻只能有一个RF模块处在发射状态，建议设计时通信协议设计采用ARQ主从查询应答方式；

使用低纹波的线性稳压电源或电池供电，尽量不要使用开关电源，如果一定要用，请用高Q值的LC回路滤波，将纹波降到最低；

关于距离指标，不同的测试环境会产生不同的结果，主要影响因素包括：发射功率、接收灵敏度、传输速率、干扰强度、背景噪声、天线增益、天线离地高度、是否移动、空间衰减、障碍物尺寸及位置等；

10mW带卷积码前向纠错处理方式的RF模块，在9,600bps速率、天线高度2米、增益2.0dBi、可视城区开阔地、传输文件、误码率为10^-3情况下，可靠通信距离可以达到300-400米左右。

可靠性策略

本系统需要长期在线连续运行，故对其可靠性和长期稳定性有较高的要求，在设计时予重点考虑。本系统采用集成芯片作为电路的核心部分大大减少了外扩电路的接线和使用的元器件的数目，使整机趋于微型化，也提高了整机的可靠性。

设计电路板时注意线的走向以及整机的紧凑性，在电路和工艺设计上采用各种成熟的实用抗干扰措施，例如合理布局、正确选择接地点、弱信号传输线屏蔽层单端接地、单元电路的封闭式屏蔽环等，以降低干扰水平。

重要数据进行多次备份，实时刷新处理，使用存储容量大的EEPROM来备份RAM数据。避免由于干扰造成的数据出错，EEPROM的数据可以保持10年以上，数据保持不需后备电源。软件写入EEPROM采取必要的校验方式，保证数据的安全性。

PIC18LF6490具有极强的抗电磁干扰能力，使数据的安全性得到进一步的提高。

由于本系统用电池供电，对功耗要求较高，在整个系统的软硬件设计时应引起足够的重视，例如元器件的选型，元器件的供电方式是用I/O供电还是直接用电源供电，单片机的选型等都是功耗能否降低的重要因素，当然软件设计也是决定功耗能否降低的重要因素，此部分在软件设计部分论述。

软件设计

软件部分设计包括了主控程序、数据通讯程序、时钟程序、自检程序等，由于本系统对功耗要求较高，软件设计过程应始终贯穿考虑功耗因素，功耗能否降低，软件设计是重要因素之一。具体做法可以是主程序主要处在睡眠状态，隔一段时间醒过来处理一下任务，一直如此循环，没使用的模块关掉，没使用的I/O口设置成高阻态等。这样一来，软硬结合便可让整个系统功耗降下来。

重要的寄存器和I/O口都必须放在主程序里去刷新，使用看门狗(PIC18LF6490有内置看门狗电路)，软件编写应有一定的容错措施，自检程序应能及时检出错误并纠错等，这样可以进一步提高系统的可靠性，避免寄存器数据乱了、程序跑飞等事先无法预计的现象。

本文小结

本文对一种无线抄表的设计方法和可靠性策略进行了论述，系统中采用了功能强大且性价比极高的单片机、高性能RF模块、数据通信等技术，具有长时间存储数据和远方无线传输数据等功能。考虑产品化的要求，进行了可靠性、抗干扰、低功耗等方面的设计。