基于nRF905的无线水表自动抄表系统设计

摘要：论述了目前无线自动抄表技术的发展状况，系统采用nRF905构建无线通信模块，实现了无线方式的自动抄表，解决了人工抄表费时费力的现状。文章阐述了无线水表自动抄表系统硬件和软件设计方法，采用有效的低功耗设计方案，解决了电池使用寿命低的问题；通过构建合理的通信协议，保证了通信的可靠性。系统模块设计具有通用性，适用于各种近距离无线数据传输领域，具有较高的实用价值。
关键词：水表自动抄表；无线通信；nRF905；通信协议

    全国大部分新建居民小区除了引用绿色生态的概念外，还在整体设计中引进了智能化居住小区的理念，以提高居民的生活质量，自动抄表系统也是智能化居住小区的一个重要技术环节，住宅远传系统是信息技术发展的一个大趋势，无线水表抄表系统正是其中的一个重要部分。
    目前集中器跟主站之间的通信技术已经成熟，关键技术就在于集中器与各个模块之间的通信。其主要的通信方式有：RS-485总线方式、电力线载波方式、无线方式、红外方式。根据我国的区域不同以及建筑特点的不同这几种通信方式必将共存一个时期。电力线载波方式在传输可靠性方面的问题很长一段时期内还不能很好的解决，这种方式也不太适合我国电网；红外方式也不能适应智能化小区的要求，仍然费时费力；无线方式则以安装和维护难度低、很好的满足智能化需求而倍受推捧，虽然还没有被大范围普遍应用，但是无线抄表是将来发展的一个必然趋势。

1 概述
1．1 无线水表抄表系统简介
    无线水表抄表系统是水表单元定时或者定量的将用户用水量以无线传输方式发送到某固定站点，然后在由抄表终端或者GPRS等方式集中抄走的一种自动化集中抄表系统。它比传统的手工抄表相比有如下优势：1)工作效率上得到极大的提高，并且保证数据准确可靠。2)能及时的发现水表故障，减少损失。3)系统运行成本低，大大减少了手工抄表所用的人力物力、出车等费用。4)抄表时间灵活，不受用户制约，避免了手工抄表员入户难的问题。5)具有自动报警功能，及时发现非法用水和盗水等现象。
1．2 工作原理
    无线远传水表正常状态下工作在低功耗模式，CPU休眠、无线传输模块关闭，电流消耗几乎为零，采用定量发送的工作模式，即当水表的电子计数每积累到一定量的时候(比如100升)，水表电子单元CPU被唤醒，然后开启无线传输模块，转到工作模式并且处于发射状态，此时水表的数据更新，水表电子单元将当前的水表脉冲计数发送给数据集中器，发送完毕后，继续恢复到正常待机状态的低功耗模式。水表采样标准的脉冲信号，可以适合任何一种采用脉冲传感器式的水表基表(伟根式传感器或干簧式传感器)。
1．3 技术难度
    同样是无线抄表系统，相对于电表而言，水表的抄表系统存在更多的技术难题，这主要体现在抄表终端的设计上。归纳起来，水表的抄表终端必须解决以下几个方面的问题：
    1)供电 由于水表的抄表终端采用电池供电，因此，对功耗要求非常苛刻，经常性的更换电池也是不现实的。一般而言，电池的使用时间至少要达到5年，这取决于电池的容量、设备的耗电情况、设备的运行要求等等因素。
    2)仿水水表所处的特殊环境总是与水、潮湿分不开的，因此，抄表终端必须在防潮、防水方面仔细考虑，要能够在这样的环境下长时间正常工作。
    3)成本 无论是家庭用户，还是企业用户，抄表终端的成本始终是绕不开的话题，特别是家庭用户，对于成本更为敏感。这里的成本包括两个部分：第一，一次性改造或者安装的成本；第二，系统的运行成本。最好的方案应当是一次性投入的成本尽可能低，运行成本没有或者非常低。
    4)对水表的故障检测 人工抄表除了抄读水表读数外，同时还担负着检查水表工作是否正常的任务。如果改为自动抄表系统，那么该系统应当也具备对水表故障的自动检测功能。当然，这需要水表与抄表终端的配合才能实现。
    5)计量的准确性、通信的可靠性 这是无线抄表系统的最基本的要求，但同时又是不很容易解决定问题。因为无线通信很容易受到一些金属、房屋结构的屏蔽，还有一些无线信号频率相近的电波干扰问题。这需要将硬件设计、软件设计以及现场配置综合起来考虑，将系统通信可靠性能达到最高。
    6)通信协议及数据安全 目前没有一个通用的无线通信协议出台，这样不同的无线设备就不能做到相互兼容，需要自己定义一个比较合理的通信协议；另外无线通信的频段相对较为固定，很容易被检测到，这就需要在数据安全方面加强防范措施。

2 国内外发展概况
    国外已经有了无线抄表系统的应用，大部分已经发展的很成熟，但是国外产品在国内应用还很少，目前已经有一些国外产品在国内打市场，也有一些国内代理，比如法国CORONIS公司的WAVENIS技术，其技术含量较高，性能比较好。
    当前我国住宅远传系统是信息技术发展的一个大趋势，目前已经形成了一个专门的行业，就像电视电话一样，在国内存在着巨大的市场，面对这块“大蛋糕”，国内一些企业争先恐后的加入，但是系统的可靠性和兼容性还不够完善，大部分远传产品还不能做到跟基表同样长的使用寿命，产品使用年限到达后如何解决也是一个问题。
    在水行业的信息化过程中，户表数据的自动抄送具有十分重要的意义，也是行业单位想要迫切解决的问题，水表数据的准确性、及时性直接影响到行业单位的信息化水平、管理决策、经济效益。传统的手工抄表费时、费力，准确性、及时性等都得不到可靠的保证，特别对于地域广阔、户表分散的地区，人工抄表更是费用高昂、效率低下，行业的实际需求催生着自动抄表系统的出现。

3 系统解决方案
3．1 硬件设计
3．1．1 电源解决方案
    交流电接入水表电子单元，安装不便，而且水表使用环境潮湿，存在安全隐患，还需考虑停电后，户用计量仪表应能正常工作一段时间，故仍需设计后备电池；若使用外接干电池就必须考虑在电池被取下后能关阀，故电路设计复杂，可靠性降低，将产品的成本转价到了用户身上，使用费用大大提高，电池漏液、电池接电片的锈蚀、氧化等因素的存在也降低了系统的可靠性。
    利用锂电池能量大、自放电率低、贮存时间长等特点，将锂电池作为一个电子元件封装于仪表中，在仪表的寿命期内不需要更换。电池直接焊于电路板上，不会出现电压突然下降的情况，故只需有电池电压检测电路，而不需掉电保护电路。
    系统采用锂电池方案的优点有：1)减少了由用户参与的环节，使用上方便了用户。2)不需更换电池，用户使用成本降低。3)电路及结构设计均更加简单，大大提高了可靠性。随着军品锂电池制造技术的民品化、加工工艺的不断完善及价格的下降，将锂电池作为户用计量仪表的电源得到各方的认可。
3．1．2 硬件电路连接
    无线抄表系统的硬件电路主要包括电源、CPU接口电路、EEProm、通信模块、报警部分、水表接口电路、无线通信电路等几个部分。
    系统采用PIC16F873A做为处理器，RB6、RB7电位变化中断来采集水表脉冲计数：RC0、RC1模拟I2C串行接口连接EEProm，进行数据保存；RA0、RA1用来指示和连接报警；RC6、RC7设置为RX、TX用于串口通信；其它部分及无线通信电路如图1所示。

    nRF905输出端ANT1、ANT2外接50Ω单天线终端装置，外围元器件配置见图2所示。PCB版面设计的地网层在底面，在板上顶层元件的周围没有接地面，以确保临近元件的充分接地，板的顶层接地面通过很多过孔与底面接地网连接，在天线下面没有接地网，nRF905芯片以及外围电路部分PCB布板采用最小布板原则。无线通信元器件的选择都很精密，而且电路布版时，元器件的摆放，电路走线，通孔等都必须经过多次试验才能达到最好的理想效果。
3．1．3 无线收发模块nRF905
    nRF905是挪威Nordic公司的产品。该芯片采用+3 VDC供电，面积为5 mmx5 mm，共有32个外部引脚，具有433／868／915 MHz三波段载波频率。它由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成，抗扰能力强，支持多点通讯，数据传输速率高达0．1 Mbps。具有特有的ShockBumt信号发射模式和发射信号载波监测功能，可有效避免数据冲突，能够很容易地通过SPI接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为-10 dBm时，发射电流为11 mA，接收电流为12．5 mA，进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。
3．2 软件设计
3．2．1 无线通信协议
    当nRF905工作在接收模式时，引入的数据包地址与器件自身地址相同时，才可以继续接收下面的数据，发送的数据还要遵循一定的数据格式，如表1所示。

    Addr为发送单元地址：Payload为有效加载数据(包括OffsetAdd偏移地址、RID发送机识别码、Data数据)；最后为CRC校验码。Addr包含4个字节，OffsetAdd为一个字节，RID包括4个字节，Data有7个字节(包括发送机类型码、发送机状态、倍率和4个字节的水表计数值)。故需要配置nRF905接收和发送数据宽度为14字节。
    接收时，地址匹配后，nRF905先接收一数据包，分别验证OffsetAdd、RID和CRC正确后，再将Payrload数据送入微控制器处理；当接收机微处理器判断Payload中的RID有效时，继续处理后续数据，否则放弃该数据包，如果数据合法，最后将数据存放在偏移地址为OffsetAdd的EEProm存储器中。
3．2．2 无线模块初始化
    在nRF905模块中，特殊寄存器RF-Register包含10个字节，其配置字内容可决定nRF905的工作特性，表2列出本设计中特殊寄存器RF-Register需要配置的基本参数。

    系统的通信模块器件工作在433 MHz频段，选用432．4MHz的中心频率，输出功率设置为nRF905所允许的最大功率+10 dBm，以确保通信果。允许自动产生CRC校验码，以减小CPU工作负担。系统通讯时，各模块处于正常接收状态，收发使能位TRX_CE=1且方式选择位TCX_EN=0。在发送数据条件符合后，可由用户编程修改TX_EN=1使各字节工作于发射状态。
    设定接收器和所有发送单元的地址Addr均为OXc5h，这样，整个系统内接收器和所有发送单元之间可以互相通讯，其它频段和其它地址的数据包则不会被接收，从而避免了其它系统的干扰。
3．2．3 功能需求设计
    1)节电设计
    为了达到电子模块能够使用6年以上的目标，除了使用大容量锂电池之外，还需要在软件方面进行降低功耗的设计。
    首先要降低CPU部分的功耗，CPU有三个耗电大户有：第一大户是悬空的输入脚，第二大户为引脚弱上拉时IO口接地或被置为低电平，第三大户为BROWN OUT DOWNRESET(电压过低复位)功能开启。在CPU睡眠时，要将没有使用的CPU引脚设为输入模式并上拉，将被占用的CPU引脚设为输入模式或置为某一固定的电平，保证与其电气连接的部分没有电流消耗。由于系统电压过低后会报警，提醒用户电量不足，所以在编程时将电压过低复位功能关闭掉，可以节省很大的电能消耗。
    通信模块是最耗电的部分，系统上电，所有初始化工作完成后，CPU则进入睡眠状态，同时将nRF905芯片的PWR_UP引脚置0，关闭其电源，当CPU被计数中断唤醒后，会查询是否达到数据发送条件，若符合条件则将PWR_UP引脚置1，打开通信模块电源，在处理完数据发送任务后，整个系统重新回到低功耗模式。
    2)水表计量及故障检测
    水表计量是RB6和RB7两个CPU引脚通过中断方式采集水表的发送脉冲，每当两个引脚先后经历一次电平高低变化，则完成一次正常计数采集；若两个引脚同时为0，则水表脉冲计数器处于强磁状态，CPU会记下此刻状态并发送到接收器；若某个脉冲为尖峰脉冲，没有达到一定的脉冲宽度值，则视为干扰。
    每隔一定时间系统开启AD功能，监测电源电压，一旦电池电压值跌落到一定程度则启动报警装置，通知用户电量不足，并将低电压状态发送到接收器通知管理员更换设备。
    3)数据可靠性设计
    系统初始化要首先检测EEProm存储器中的数据是否在正常范围内，若正常则加载，否则系统会使用某一默认值。接收器在每次接收到数据后都会和上一次数据进行比较，符合条件才会将EEProm数据更新。
    另外，在通信协议中，指定了频段和地址匹配保证通信可靠，数据包中的ID号检测和校验码验证保证通信数据的可靠性。

4 结束语
    文中根据nRF905的工作特点，通过构建新的通讯协议，将其应用于无线水表自动抄表系统，此方案硬件电路连接简单，易于调试，各节点编程具有通用性。系统最终测试达到了预想的性能指标，在正常工作状态下电子模块的电流消耗小于1μA，系统对通信可靠性和数据安全性也进行了充分的考虑。将系统信号采样部分稍加改造，可以应用于智能家庭、智能楼宇、温＼湿度采集、远程抄表等各种近距离无线数据传输领域，因此，具有较高的实用推广价值。