O 概述

　　隨著無線電技術、通訊技術和單片機技術的發展，無線智能遠傳水表系統以其安裝便利、維護快捷、不受安裝環境和布線限制等優點，成為了水表行業智能管理的主導系統。該系統一般由四部分組成，即自來水公司微機數據管理系統、現場數據下載器(手抄機)、數據集中器、無線遠傳智能水表。其中無線智能遠傳水表是整個系統的基礎部分，是信息的產生單元。它一般是在原基表的基礎上，加裝新型傳感器和控制電路板構成。

　　1 無線智能遠傳水表實現的功能

　　通過廣泛的市場調研確定無線智能遠傳水表應實現以下功能：自動定時或定量上報水量功能;根據集中器命令控制水表閥門開關功能;自動報告遠傳水表被破壞或受干擾、用水量異常(過大或過小)、電池電能不足的功能;按管理部門的需要進行參量設制功能。

　　2 硬件電路的設計

　　無線智能遠傳水表的無線通信頻率選擇公用頻段(ISM頻段)。該表采用電池供電，保證市電停電時，不影響表具對信息的采集和存儲。根據行業標準的要求，電池的使用壽命大于6年，因此整個產品的設計要充分考慮耗電量問題。電池選擇高能鋰電池，通過選擇低功耗器件、設定精密的微功耗工作方式來確保電池的使用壽命。通過采用雙傳感器、軟件糾錯、抗干擾技術、加密技術來保障數據采集、存儲、傳輸的準確度。

　　2.1 無線智能遠傳水表的組成單元及功能

　　無線智能遠傳水表主要包括以下單元：單片機、輸入采集、無線數傳、電源、閥門控制、電壓檢測單元。其構成框圖如圖1所示。

　　2.2 各單元電路的硬件設計

　　2.2.1 輸入信號采集單元

　　傳感器選擇接觸阻抗低、無待機功耗、可靠性好的小型干簧管。作為磁傳感器，在磁鐵進入干簧管吸合臨界區的時候，干簧管會產生多次吸合，導致重復計量。為了提高計量的準確性和抗干擾性，在產品中采用雙傳感器設計。無論單個傳感器吸合多少次都按照吸合一次計算，只有兩個傳感器各吸合一次才算是一次有效計量。本設計計量單位為0.1t。當兩個傳感器同時吸合時，認為是外界強磁干擾，水表執行關閉閥門動作。設置單片機RB0、RB4引腳作為檢測端。

　　2.2.2 單片機的設計

　　單片機選擇的是功耗低、抗干擾能力強、編程調試方便、價格低的PICl6F628A芯片。該單片機指令為單字節指令，避免程序“跑飛”造成”死機”。高可靠性的看門狗自帶RC振蕩器，能夠避免程序鎖死，進一步增加了抗干擾能力。休眠(斷電)模式功耗為微功耗，工作時可從休眠狀態喚醒，精密設計其工作過程，可使功耗達到節約的極限。為了降低整機的功耗，單片機的主時鐘選用內部時鐘4M(通過設置電源控制寄存器PCON的BIT3=1實現)，這樣單字節指令執行時間為1s，調用和條件轉移指令需要2 μs。設置單片機工作平時在睡眠狀態，只有在定時時間到或有水量信息時才被中斷喚醒。為了降低整機的功耗，定時器1的時鐘脈沖選擇片外晶體振蕩電路，晶體頻率是32.768k，配諧電容為22p，內部采用8分頻(通過設置控制寄存器T1CON的BIT4，BIT5=1)，這樣當脈沖個數為24225個時(5FH,0FFH)，定時時間達到10s。

　　2.2.3 無線數傳單元的設計

　　無線數傳芯片選擇的是高集成度、多通道的RF收發芯片CCll00，該芯片控制方便、功能強大、體積小、價格低、功耗低、抗干擾性強。CCll00的引腳SPI_SCK連接單片機引腳RAl(輸出);SPI_SI連接單片機RA2引腳(輸出);SPI_SO連接單片機RA3引腳(輸入);SPI_CS連接單片機RA6引腳(輸出);GDO0連接單片機RA7引腳(輸入)。

　　CC1100的軟件設計主要是利用TI公司提供的對該芯片的內部寄存器設置軟件Smart Studio對CCll00控制寄存器進行設置，在軟件參數配置時要注意選擇輸出功率為10dBm,中心頻率為433.92MHz，數據傳輸速率為10kbps，將這些主要參數輸入后，專用配置軟件將CCll00所有的控制寄存器的參數值自動換算到該芯片的最優化設置，將這些參數通過單片機，按照約定的地址寫入到CCll00特定寄存器，就可保證CCll00穩定可靠地工作。在程序設計中要定期刷新CCll00控制寄存器的設置，防止寄存器中的內容在強烈外界干擾環境中改變，使芯片不能正常工作。CCll00的軟件設計要注意，在無線數據傳輸過程中要關閉其它附屬設備的工作狀態，保持傳輸數據的可靠性和穩定性。

　　2.2.4 閥門控制單元的設計

　　驅動電磁閥開關的芯片選擇的是L9110芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性;兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過800mA的持續電流，峰值電流能力可達1.5A;同時它具有較低的輸出飽和壓降;內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，驅動性能安全可靠。單片機RB5引腳設置為關閥控制;RB3引腳設置為開閥控制;RB2引腳設置閥門開到位判斷;RBl引腳設置閥門關到位判斷。

　　2.2.5 電源電壓檢測元件的選擇與設計

　　電壓檢測芯片選擇的是小功率的MCPlll芯片。當電源電壓高于檢測電壓時，MCPlll輸出保持高電平;若低于檢測電壓時輸出將變為低電平，提醒電源電量的不足。設置單片機引腳RA5為電源電壓檢測輸入引腳，低電平有效。該產品設定MCPlll的檢測電壓為3V;在檢測到電池電壓低提出報警后，仍能保證控制電路板正常工作三個月以上，為更換電池提供時間余量。

　　無線智能遠傳水表連接示意圖如圖2所示。

　　3 軟件設計

　　智能無線遠傳水表的軟件采取模塊化設計，程序主要有以下主子程序組成：主程序模塊、定時中斷處理程序模塊、水量采樣處理程序模塊、接收無線數據處理程序模塊、數據發射程序模塊。

　　3.1 主程序設計

　　智能無線遠傳水表上電后，系統軟件逐個檢測各個功能模塊的工作狀態。主要包括傳感器模塊檢測、定時器模塊檢測、閥門執行機構檢測、特別是對CCll00的工作參數設置以及設置完成的結果檢測，這些模塊檢測正常后系統檢測燈熄滅，系統進入低功耗工作狀態。進入低功耗工作的系統只有靠中斷才能開啟。開啟系統由低功耗進入工作狀態的方式有兩種：一種是當有傳感器信號進入時，傳感器信號開啟中斷系統;另一種是定時器時間到后開啟中斷系統。開啟后的系統執行完中斷的操作后回到低功耗模式。

　　3.2 定時中斷處理程序設計

　　定時啟動時間是10s一次，啟動以后主要功能是：開啟接收機接收查看是否有無線電信號進來。如果沒有，進入低功耗狀態，如果有，則判斷是不是協議規定的命令。如果是規定的命令執行相應的操作，否則關閉接收機，進入低功耗。定時24小時自動發射數據一次，定時一個月“洗閥”一次。

　　3.3 水量采樣處理程序設計

　　當水表的傳感器有信號來的時候，經軟件濾波后判斷是否為有效信號。若是無效信號則直接退出中斷，若為有效信號時就進行計數和水量運算，運算后將數據存儲在單片機內部的存儲器內。分析是否達到發射水量，達到發射水量則發射數據，否則退出中斷。

　　3.4 接收無線數據處理程序設計

　　設置CCll00為接收狀態，若有接收信號，則等待接收數據，讀CCll00寄存器中的接收數據。讀完規定字節數的數據后，進行數據解碼，判斷數據的正確性。數據正確，依據規定的命令進行相應的操作;否則退出接收狀態。

　　4 結論

　　通過對無線遠傳智能水表進行的供電參數、無線電性能、信號輸出測試、控制功能測試、水表性能測試，其主要參數全部達標，實現了設計時要求的技術指標和性能。本產品在天津自來水公司進行了試用，數據采集的準確率大于92%以上，具有良好的經濟和社會效益。