基于78K0／Lx3的无线智能抄表系统

摘要：为了改善传统手工抄表方式费时、费力，准确性和及时性得不到保障的方式，适应现代科技社会发展的需求，而提出采用78K0／Lx3的无线智能抄表系统的设计方法。该方法省时、省力、而且准确；外围元器件少，便于实现；同时对于现在的水表还能实现用水管理智能化和人性化，使自来水公司和用户更加和谐。
关键词：78K0／Lx3；无线传输；遥控接收；频率控制；工作流程

0 引言
    伴随着公共事业(水、电、燃气)在中国的蓬勃发展，老百姓对生活环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发展。作为智能化产业链中的一环——智能抄表系统也同时得到了蓬勃发展。
    无线抄表来源于20世纪90年代成立的有线抄表工作组，最初工作组专注于在仪表系统中有线抄表的研究，后来有线抄表成为了欧洲标准EN1434的一部分。随着无线抄表的引入，标准化工作被转移到了技术委员会(TC)294，(TC)294创建了新的欧洲标准EN13757-Communication System for Meters and Remote Reading of Meters。这个标准当前由以下部分组成：
    EN13757-1：2002数据交换；
    EN13757-2：2004物理层和数据链路层；
    EN13757-3：2004应用层；
    EN13757-4：2005无线读表器；
    prEN13757-5：2007中继；
    prEN13757-6：2007数据交换；
    其中第4部分EN13757-4为无线读表器，专注仪表和无线读表器之间的通信。

1 无线抄表系统
    一般的无线抄表系统主要包括两大类设备，如图1所示，一类是仪表(如水表、气表和电表等)，另一类是其他(如读表器或集中器等)。
    仪表(气表、水表等)通常不能直接连接到主供电系统，一般采用电池供电，因此它们获得的能量是有限的。为了尽量降低功耗，仪表在大多数时间处于休眠模式，仅在很短的时隙中醒来发射数据；而读表器也从来不主动发送数据给处于休眠状态的仪表。双向通信是可行的，一般仪表在发送时隙完成后，进入接收时隙，这时读表器可以传送信息给仪表。更换仪表的成本相当高，因此为仪表供电的电池一般需要提供几年的能量，不同的国家可能有不同的要求。

    无线抄表的寻址模式来源于有线抄表，仅仪表设备有地址，并且收发数据采用相同的地址。因此，读表器必须有一个仪表设备地址表，记录需要处理的所有仪表地址，这个过程一般在系统安装阶段进行。
    通常无线抄表系统(见图2(d))可以完全替代有线抄表系统(见图2(a))，但是两种系统也能组合在一起，形成一个新系统(见图2(b)，图2(c))。

    无线抄表标准(EN13757～4：2005)专注仪表和远程无线读表器之间的通信，利用ISM频段868～870 MHz进行无线数据传输。NEC电子公司的78K0／Lx3系列以其卓越的功耗轻松满足水表客户的严格要求。并且内部集成有很多实用模块，比如RTC，LCD驱动、LVI检测及10 b／16 b A／D转换器等，可以很方便地帮助客户快速构建高性价比的解决方案。无线抄表整体系统如图3所示。

2 遥控器接收框图
    (1)遥控器接收移位寄存器(RMSR)
    遥控器接收框图如图4所示。它是用于遥控器数据接收的8位寄存器。数据首先被存储在第7位。每次存储新数据时，存储数据移位到低位。因此，最新数据存储在第7位，第一个数据存储在第0位。

    (2)遥控器接收数据寄存器(RMDR)
    此寄存器保存遥控器接收数据。当遥控器接收移位寄存器(RMSR)溢出时，RMSR中的数据被发送到RMDR。第7位存储最后的数据，第0位存储第一个数据。数据从RMSR发送到RMDR的同时产生INTD-FULL。RMDR由8位存储器操作指令读取。
    (3)遥控器移位寄存器接收计数器寄存器(RMSCR)
    这是一个3位计数器寄存器，用于在遥控器接收完成(INTREND产生)时显示保存在遥控器接收移位寄存器(RMSR)中有效位的序号。此寄存器的读取值允许位序号的确认，即使接收到的数据不是8位的整数倍格式。RMSCR由8位存储器操作指令读取。
    (4)遥控器接收DLL比较寄存器(RMDLL)
    此寄存器用于检测遥控器引导脉冲(长边)的低电平。RMDLL由8位存储器操作指令设置。
    接收模式流程图如图5所示。

3 频率控制
    为了设定所需的调谐频率，需要设定不同的内部寄存器，这可以通过手工计算每一个寄存器的设定值，也可以通过Silicon Labs提供的WDS工具或Excel计算器辅助计算。主要进行5个步骤的设定：
    第1步：选择或设定调制类型，曼彻斯特编码，晶体精度，数据率，频率差。
    第2步：设定载波频率，对于跳频应用，需要设定信道宽度和信号编号。
    第3步：调制设定，对于GFSK／FSK，需要选择禁止或使能AFC，接收最大错误率；对于OOK，需要设定RX带宽。
    第4步：根据需要选择FIFO模式设定或PH+FIFO模式设定。
    第5步：在寄存器汇总页中，得到寄存器设定值。

4 其他功能
    无线抄表方案还具有的基本功能如下：
    基本计量功能  每0．1 m3写入一次数据。
    LCD显示功能   显示错误信息、报警水量、剩余水量、透支水量等多项数据。
    购水管理功能  支持出厂预置、购水、停水、水量查询、抄表等功能。
    报警断水功能  当剩余水量达到报警水量时，阀门会自动关闭，提示用户购水。如果剩余水量为0，阀门关闭，但是重新插卡后，可以在预置透支水量范围内继续用水。如果用户透支的水量达到预置透支水量，则关闭阀门断水。
    数据存储功能  本方案的数据存储有两种方式，一种是使用E2PROM来存储数据，另外一种是在NEC电子的FLASH存储器上可以实现E2PROM模拟功能，在NEC电子的微控制器内置的FLASH存储器中存储数据，达到和E2PROM同样的存储效果。通过NEC电子提供的库文件能够方便实现FLASH存储器的E2PROM模拟功能。
    节电功能  将E2PROM和卡座的供电电源关闭，使其处于睡眠状态。NEC电子78K0／Lx3的LCD内部分压电阻阻值为60 kΩ左右，为了进一步降低功耗，采用330 kΩ的外部分压电阻。通过这些办法，该水表方案在待机模式下，整机功耗保持在1．8μA。
    攻击防止功能  能够判断是否被攻击，如果处于受攻击状态则关闭阀门。软件上有很多处理，可以有效防止对微控制器的干扰。
    透支水费计量  如果因为外部攻击或机械故障等原因阀门无法正常关闭，在用水时仍然计量透支水费。
    自动除垢功能  每月自动开关阀门两次，以防止长期不使用的电机故障。
    电池能力监测  使用内部的LVI模块监测电池电压，电压不足时及时报警，并关闭阀门，LCD上提示更换电池。
    在本方案中暂时没使用RTC模块，但是从未来趋势看，阶梯式水费和管理部门对水资源消费统计方面的需求会越来越多，RTC的使用是大势所趋。在国外市场，RTC已经是必需模块。