摘 要：為了改善傳統(tǒng)手工抄表方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到保障的方式，適應(yīng)現(xiàn)代科技社會發(fā)展的需求，而提出采用78K0/Lx3的無線智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該方法省時(shí)、省力、而且準(zhǔn)確；外圍元器件少，便于實(shí)現(xiàn)；同時(shí)對于現(xiàn)在的水表還能實(shí)現(xiàn)用水管理智能化和人性化，使自來水公司和用戶更加和諧。

關(guān)鍵詞：78K0/Lx3; 無線傳輸; 遙控接收; 頻率控制; 工作流程

中圖分類號：TN911-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004-373X(2011)19-0052-03

Wireless Intelligent Meter Reading System Based on 78K0/Lx3

YUAN Zhao-gang

(Weihai Vocational College， Weihai 264210， China)

Abstract： In order to improve time-consuming， arduous， accuracy and timeliness can′t be guaranteed of the traditional manual meter reading system， a wireless intelligent meter reading system using 78K0/Lx3 was designed for the development of modern science and technology. The system can save time and effort， has few peripheral components， is accurate and convenient to achieve intellectualization and humanization of water management.

Keywords： 78K0/Lx3; wireless transmission; remote receive; frequency control; working process

0 引 言

伴隨著公共事業(yè)(水、電、燃?xì)?在中國的蓬勃發(fā)展，老百姓對生活環(huán)境提出了更高的要求；在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的發(fā)展。作為智能化產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)——智能抄表系統(tǒng)也同時(shí)得到了蓬勃發(fā)展。

無線抄表來源于20世紀(jì)90年代成立的有線抄表工作組，最初工作組專注于在儀表系統(tǒng)中有線抄表的研究，后來有線抄表成為了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1434的一部分。隨著無線抄表的引入，標(biāo)準(zhǔn)化工作被轉(zhuǎn)移到了技術(shù)委員會(TC)294，(TC)294創(chuàng)建了新的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13757-Communication System for Meters and Remote Reading of Meters。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前由以下部分組成：

EN13757-1:2002數(shù)據(jù)交換;

EN13757-2:2004物理層和數(shù)據(jù)鏈路層;

EN13757-3:2004應(yīng)用層;

EN13757-4:2005無線讀表器;

prEN13757-5:2007中繼;

prEN13757-6:2007數(shù)據(jù)交換;

其中第4部分EN13757-4為無線讀表器，專注儀表和無線讀表器之間的通信。

1 無線抄表系統(tǒng)

一般的無線抄表系統(tǒng)主要包括兩大類設(shè)備，如圖1所示，一類是儀表(如水表、氣表和電表等)，另一類是其他(如讀表器或集中器等)。

圖1 無線抄表系統(tǒng)儀表(氣表、水表等)通常不能直接連接到主供電系統(tǒng)，一般采用電池供電，因此它們獲得的能量是有限的。為了盡量降低功耗，儀表在大多數(shù)時(shí)間處于休眠模式，僅在很短的時(shí)隙中醒來發(fā)射數(shù)據(jù)；而讀表器也從來不主動發(fā)送數(shù)據(jù)給處于休眠狀態(tài)的儀表。雙向通信是可行的，一般儀表在發(fā)送時(shí)隙完成后，進(jìn)入接收時(shí)隙，這時(shí)讀表器可以傳送信息給儀表。更換儀表的成本相當(dāng)高，因此為儀表供電的電池一般需要提供幾年的能量，不同的國家可能有不同的要求。

無線抄表的尋址模式來源于有線抄表，僅儀表設(shè)備有地址，并且收發(fā)數(shù)據(jù)采用相同的地址。因此，讀表器必須有一個(gè)儀表設(shè)備地址表，記錄需要處理的所有儀表地址，這個(gè)過程一般在系統(tǒng)安裝階段進(jìn)行。

通常無線抄表系統(tǒng)(見圖2(d))可以完全替代有線抄表系統(tǒng)(見圖2(a))，但是兩種系統(tǒng)也能組合在一起，形成一個(gè)新系統(tǒng)(見圖2(b)，圖2(c))。

圖2 不同的抄表與/或無線抄表系統(tǒng)無線抄表標(biāo)準(zhǔn)(EN13757-4:2005)專注儀表和遠(yuǎn)程無線讀表器之間的通信，利用ISM頻段868~870 MHz進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。NEC電子公司的78K0/Lx3系列以其卓越的功耗輕松滿足水表客戶的嚴(yán)格要求。并且內(nèi)部集成有很多實(shí)用模塊，比如RTC，LCD驅(qū)動、LVI檢測及10 b/16 b A/D轉(zhuǎn)換器等，可以很方便地幫助客戶快速構(gòu)建高性價(jià)比的解決方案。無線抄表整體系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 無線抄表整體系統(tǒng)2 遙控器接收框圖

(1) 遙控器接收移位寄存器(RMSR)

遙控器接收框圖如圖4所示。它是用于遙控器數(shù)據(jù)接收的8位寄存器。數(shù)據(jù)首先被存儲在第7位。每次存儲新數(shù)據(jù)時(shí)，存儲數(shù)據(jù)移位到低位。因此，最新數(shù)據(jù)存儲在第7位，第一個(gè)數(shù)據(jù)存儲在第0位。

(2) 遙控器接收數(shù)據(jù)寄存器(RMDR)

此寄存器保存遙控器接收數(shù)據(jù)。當(dāng)遙控器接收移位寄存器(RMSR)溢出時(shí)，RMSR中的數(shù)據(jù)被發(fā)送到RMDR。第7位存儲最后的數(shù)據(jù)，第0位存儲第一個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從RMSR發(fā)送到RMDR的同時(shí)產(chǎn)生INTDFULL。RMDR由8位存儲器操作指令讀取。

(3) 遙控器移位寄存器接收計(jì)數(shù)器寄存器(RMSCR)

這是一個(gè)3位計(jì)數(shù)器寄存器，用于在遙控器接收完成(INTREND產(chǎn)生)時(shí)顯示保存在遙控器接收移位寄存器(RMSR)中有效位的序號。此寄存器的讀取值允許位序號的確認(rèn)，即使接收到的數(shù)據(jù)不是8位的整數(shù)倍格式。RMSCR由8位存儲器操作指令讀取。

(4) 遙控器接收DLL比較寄存器(RMDLL)

此寄存器用于檢測遙控器引導(dǎo)脈沖(長邊)的低電平。RMDLL由8位存儲器操作指令設(shè)置。

圖4 遙控器接收器的框圖接收模式流程圖如圖5所示。

3 頻率控制

為了設(shè)定所需的調(diào)諧頻率，需要設(shè)定不同的內(nèi)部寄存器，這可以通過手工計(jì)算每一個(gè)寄存器的設(shè)定值，也可以通過Silicon Labs提供的WDS工具或Excel計(jì)算器輔助計(jì)算。主要進(jìn)行5個(gè)步驟的設(shè)定：

第1步：選擇或設(shè)定調(diào)制類型，曼徹斯特編碼，晶體精度，數(shù)據(jù)率，頻率差。

第2步：設(shè)定載波頻率，對于跳頻應(yīng)用，需要設(shè)定信道寬度和信號編號。

第3步：調(diào)制設(shè)定，對于GFSK/FSK，需要選擇禁止或使能AFC，接收最大錯(cuò)誤率；對于OOK，需要設(shè)定RX帶寬。

第4步：根據(jù)需要選擇FIFO模式設(shè)定或PH+FIFO模式設(shè)定。

第5步：在寄存器匯總頁中，得到寄存器設(shè)定值。

4 其他功能

無線抄表方案還具有的基本功能如下:

基本計(jì)量功能 每0.1 m3寫入一次數(shù)據(jù)。

LCD顯示功能 顯示錯(cuò)誤信息、報(bào)警水量、剩余水量、透支水量等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。

圖5 接收模式流程購水管理功能 支持出廠預(yù)置、購水、停水、水量查詢、抄表等功能。

報(bào)警斷水功能 當(dāng)剩余水量達(dá)到報(bào)警水量時(shí)，閥門會自動關(guān)閉，提示用戶購水。如果剩余水量為0，閥門關(guān)閉，但是重新插卡后，可以在預(yù)置透支水量范圍內(nèi)繼續(xù)用水。如果用戶透支的水量達(dá)到預(yù)置透支水量，則關(guān)閉閥門斷水。

數(shù)據(jù)存儲功能 本方案的數(shù)據(jù)存儲有兩種方式，一種是使用E2PROM來存儲數(shù)據(jù)，另外一種是在NEC電子的FLASH存儲器上可以實(shí)現(xiàn)E2PROM模擬功能，在NEC電子的微控制器內(nèi)置的FLASH存儲器中存儲數(shù)據(jù)，達(dá)到和E2PROM同樣的存儲效果。通過NEC電子提供的庫文件能夠方便實(shí)現(xiàn)FLASH存儲器的E2PROM模擬功能。

節(jié)電功能 將E2PROM和卡座的供電電源關(guān)閉，使其處于睡眠狀態(tài)。NEC電子78K0/Lx3的LCD內(nèi)部分壓電阻阻值為60 kΩ左右，為了進(jìn)一步降低功耗，采用330 kΩ的外部分壓電阻。通過這些辦法，該水表方案在待機(jī)模式下，整機(jī)功耗保持在1.8 μA。

攻擊防止功能 能夠判斷是否被攻擊，如果處于受攻擊狀態(tài)則關(guān)閉閥門。軟件上有很多處理，可以有效防止對微控制器的干擾。

透支水費(fèi)計(jì)量 如果因?yàn)橥獠抗艋驒C(jī)械故障等原因閥門無法正常關(guān)閉，在用水時(shí)仍然計(jì)量透支水費(fèi)。

自動除垢功能 每月自動開關(guān)閥門兩次，以防止長期不使用的電機(jī)故障。

電池能力監(jiān)測 使用內(nèi)部的LVI模塊監(jiān)測電池電壓，電壓不足時(shí)及時(shí)報(bào)警，并關(guān)閉閥門，LCD上提示更換電池。

在本方案中暫時(shí)沒使用RTC模塊，但是從未來趨勢看，階梯式水費(fèi)和管理部門對水資源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)方面的需求會越來越多，RTC的使用是大勢所趨。在國外市場，RTC已經(jīng)是必需模塊。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 嚴(yán)利平，劉和平.電能計(jì)量裝置的無線抄表系統(tǒng)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001(7):59-62.

［2］ 槐利.基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)［D］.太原:太原理工大學(xué)，2006.

［3］ 張愷，李祥珍，張晶，等.自動抄表系統(tǒng)應(yīng)用模式的探討［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(5):41-45.

［4］ 王凱，彭瑜，鄭麗國，等.基于ZigBee無線水表自動抄表系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.自動化儀表，2006，27(z1):166-169.

［5］ 任彬.一種新型的水表聯(lián)網(wǎng)抄表系統(tǒng)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2000.

［6］ 蔡旭斌，羅玲.電能計(jì)量自動抄表技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.廣東電力，2003，16(2):5-8.

［7］ 孫傳雙.無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2007.

［8］ 孫鳴樂，賴曉陽，蔡慶增.遠(yuǎn)程抄表采集器［J］.電子測量技術(shù)，2005(5):90-91.

［9］ 陳業(yè).無線網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電腦知識與技術(shù)，2008(18)：1726-1728.

［10］ 劉鑫.自動抄表統(tǒng)系的研究與設(shè)計(jì)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2008.

［11］ 李龍星，劉慶偉.一個(gè)自動抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2001(z1):201-203.

［12］ 李唐山.基于NEC電子78K0/Lx3微控制器的智能水表方案［J］.電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2008(11):130-131.