摘  要： 針對工業地下水管道難以抄收實際用水量導致無數據參考依據、無節制的濫用水資源這種現象，研發了一種可以埋在地下的水表數據采集通信終端。此終端通過無線射頻技術將水表抄收的數據發送出去，實現了抄收用水量。由于終端設備深埋在地下，為了降低終端節點功耗和提高抗干擾性，采用了低功耗的Atmega128L單片機和CC1020無線收發芯片。實驗數據分析表明，該設計的功耗和穩定性都能夠達到在現實中應用的要求。
關鍵詞： 低功耗；鋰亞電池；無線通信；可靠性；Atmega128L

　中國是世界上缺水國家之一，人均水資源量為2 238.6 m3 ，僅相當于世界人均占有量的1/4，是世界人均水資源極少的13個貧水國之一[1]。而在現代化工業中，工業用水量急劇增加，水資源供需矛盾將更為突出，缺水已經成為工業發展的制約因素。為了提高我國工業的節水率，及時發現深埋在地下的水管道漏水現象，研究并設計了一種能深埋地下的無線抄表終端。
1 總體結構
　數據采集通信終端長期深埋在地下，就要求抄表終端功耗低、抗干擾性好、通信距離遠和防潮性強。綜合以上要點，終端結構設計框圖如圖1所示。

　為了降低抄表終端功耗，數據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，不僅施工費力、浪費資源，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，就會帶來定期更換電池的麻煩。由于設計的數據采集通信終端盡可能做到了節約用電量，所以由實驗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：(1)硬件設計細化了無線射頻模塊與Atmega128L間的布局走線；(2)電池加裝了濾波器，以減少電源噪聲對芯片的干擾；(3)讓晶振與芯片引腳盡量靠近，并用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼接地并固定；(4)在無線部分加用屏蔽罩進行電磁屏蔽提高系統的抗干擾性。為了解決地下潮濕給終端節點帶來的損壞問題，整個終端節點的外觀粘上一層防水膠，以達到IP68防水標準。
1.1 數據采集模塊
　自動抄表系統擔負著各水表數據的采集任務，并根據需要向上一級發送采集的數據。系統數據采集模塊選用無源直讀式水表的原因是其低功耗。無源直讀式水表的優點是系統平時不工作、不用電、無功耗(所以稱無源)；抄表時讀取的是水表實時字輪數字(所以稱直讀)。水表計數器如圖2所示，字輪側剖圖如圖3所示。

　其原理是在每一位字輪的一側設置固定的光電發射源(如圖3中1)，發射源發射出的光通過透光孔(圖3中3)，被位于字輪另一側固定的接收管(圖3中2)接收到。將接收到的信號通過信息編碼識別技術，識別出字輪上0~9這10個數字。計算機中的信息編碼識別技術用4個bit位就可以表示10個數字，但由于海明編碼規則還應該增加1個bit位用于校驗，所以每個字輪應有5對光電發射源和接收管以及字輪上的5個數字有透光孔。其實際上是利用多個接收點的不同位置狀態來判斷字輪轉到了什么數的位置，從而確定所對應的數據[2]。即：當發射源和接收管之間處于不透光的位置時，感應裝置輸出的信號設為高電平；當發射源和接收管之間處于透空的位置時，感應裝置輸出的信號設為低電平。一個字輪所有感應裝置的輸出構成了這個字輪的信息編碼，從而可得到字輪上的數字。將每個字輪上的讀數傳送給無線收發模塊CC1020，并由其發送出去，便實現了水表的遠程抄讀。
1.2 無線通信模塊
　無線通信模塊用于終端節點與集中器之間的數據通信。此模塊選用Chipcon公司的無線射頻芯片CC1020。CC1020是一種理想的超高頻單片收發器芯片，其基于0.35 μm CMOS的Chipcon的SmartRF-2技術，低電流消耗(接收模式：19.9 mA)，低供給電壓(2.3 V~3.6 V)[3]，使用時只需極少的外部元件，其性能穩定，并且采用高效前向糾錯信道編碼技術來提高數據抗突發干擾和隨機干擾的能力。通常情況下，在載波頻率是433 MHz、接口模特率是9 600 kb/s時，空曠場所可靠傳輸距離可達800 m以上。
　無線通信模塊電路如圖4所示。主要由晶振時鐘電路、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4線SPI總線與CC1020相連接，可實現無線通信模塊的工作模式設置、緩存讀/寫，以及狀態寄存器讀/寫等功能。

1.3 電源
　系統供電選用型號是ER3415M鋰亞電池(鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池)，其標稱容量為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90%以上[4]。電壓檢測芯片選擇的是小功率的MCP111芯片。檢測電壓設定無線模塊支持的最低電壓為3 V，當電源電壓高于檢測電壓時，MCP111輸出保持高電平；若低于檢測電壓時輸出將變為低電平，并提醒電池電量的不足。電壓低提出報警后，仍能保證采集通信終端正常工作三個月，提供足夠更換電池的時間。
　終端主要耗電部分為無線通信模塊CC1020和單片機Atmega128L。由數字萬用表DT9806測量采集通信終端休眠時電流約為14.7 μA，可算出休眠一天的電量消耗為14.7 μA×24=352.8 μA。運行時完成一次通信過程的平均電流為64.6 mA，一次通信時間為2 s，每天采集并發送一次數據，一天的工作電量消耗為129.55 mA。在電池使用率為90%時，可以估算出采集通信終端電池可以使用10年以上。
2 軟件設計
2.1 集中器與采集器通信協議
　為確保集中器與采集器之間能夠順暢地進行通信，采用主-從結構的半雙工通信方式，設計通信協議如表1所示。

　根據CJ/T188-2004《用戶計量儀表數據傳輸技術條件》，幀起始符是表示一幀信息的開始，規定為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；地址域是識別每個采集終端的唯一標識，由7個字節組成，每個字節為2位BCD碼，地址長度為14位十進制數，最少可接入上千億個終端；控制碼定義了通信規則[5]；數據長度為數據域的字節數，用十六進制表示，讀終端數據時L不大于64H，寫終端數據時L不大于32H，L=0時無數據域；數據域為傳輸的數據，包括數據標識、序列號和數據；校驗碼用來檢驗該組數字的正確性，采用偶校驗；結束符標識一幀信息的結束，規定為16H。
　字節格式為每字節含8位二進制碼，傳輸時加上一個起始位(0)、一個偶校驗位(E)和一個停止位(1)，共11位，先傳低位后傳高位。
2.2 采集通信終端軟件設計
　終端節點上的軟件負責完成用戶數據的實時采集，并通過無線通信模塊將采集的數據包傳送至數據集中器。終端節點遵循休眠-被喚醒-正常工作-休眠的循環工作模式。在休眠狀態下，處理器停止工作，無線模塊處于休眠狀態。當終端接收到內部定時器的喚醒命令后，終端節點被喚醒，處理器進行數據采集、發送等命令。為了確保集中器能夠收到終端節點發送的數據，集中器要返回給終端節點一個收到數據指令。這樣做可以在軟件上盡量降低丟包率和系統的功耗。終端節點的軟件工作流程如圖5所示。

3 實驗數據分析
　為了測量數據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行了實驗。測試結果如表2所示。

　對比在有障礙物和空曠地帶的實驗數據發現，障礙物的阻擋導致丟包率和正確率的下降、傳輸距離變小，嚴重影響了通信的可靠性。對比不同通信距離的空曠地帶數據發現，傳輸距離越遠，丟包率越高、正確率越低。結合實驗結果及反復實驗情況，得出影響水表采集通信終端可靠性的主要因素有兩個：傳輸距離與障礙物的阻擋情況；其他無線技術的干擾。為了解決以上問題提高系統的可靠性，可采取如下措施：在硬件設置上提高發射功率；在軟件設計上，增加接收反饋幀以及超時重發。實驗證明，在數據采集通信終端在地下時，完全可以實現數據的收發。
　低功耗無線水表數據采集通信終端的設計和研究，實現了地下水表數據抄收的功能，解決了地下水抄收困難的問題。相信這種自動抄表技術將會在工業節水方面得到很好的應用和更好的發展，也會為水表、電表、氣表、熱表的融合提供更好的支持。
參考文獻
[1] 國家環境保護總局.中國環境狀況公報2000年.2000.
[2] 安慶敏，吳明光，仲玉芳.基于ZigBee的單環編碼直讀式無線遠傳水表[J].科技通報，2008，24(1)：52-55.
[3] Chipcon.CC1020 Perliminary data sheet. rev1.0. 2006.
[4] 王圣平.油田高溫鋰亞硫酰氯電池性能分析[J].國外測井技術，2005，20(3)：67-68.
[5] CJ/T188-2004用戶計量儀表數據傳輸技術條件[S].2004.