針對現(xiàn)在抄表系統(tǒng)復雜度高或成本高等問題，本文設計了一套燃氣表無線抄表系統(tǒng)，從基本架構、主要功能、軟硬件的實現(xiàn)加以說明，具有實時、可靠、經濟、低功耗等優(yōu)點。該系統(tǒng)采用 M430F413和 EM78P153S為控制單元，CC1100為無線通信單元。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有良好的應用和推廣價值。

0引言

隨著城鎮(zhèn)的擴大和經濟的發(fā)展，天然氣的使用也起來起廣泛。天然氣使用的普及范圍也越來越大，如果采用傳統(tǒng)的人工上門抄表方式，將會浪費大量的人力和時間。所以大多采用遠程抄表，目前的遠程抄表系統(tǒng)常用通信方式有： RS232+PSTN通信，電力載波通信， GPRS無線數(shù)傳等：

(1)用 RS232+PSTN組網通信：線路連接時間較長，實時性不夠，當集中器數(shù)目較多時，租用電話線路多，其費用也很可觀，不適合大容量的系統(tǒng)；

(2)通過低壓載波通信：該方式數(shù)據(jù)傳輸時易受電網諧波、電磁信號、脈沖信號的干擾，導致錯碼、丟碼的情況，數(shù)據(jù)傳輸可靠性低；

(3) GPRS無線數(shù)傳：無線模塊價格高，從經濟上考慮難以推廣。

由于現(xiàn)在住宅小區(qū)相對集中，本文設計了一種針對于燃氣表的遠程無線抄表系統(tǒng)，具有復雜度低、成本低、功耗低、實時性和可靠性較好，以及易于維護等優(yōu)點。

1系統(tǒng)的總體方案設計

本系統(tǒng)由三部分組成：安裝在用戶家的智能燃氣表、抄表人員手持的手抄器、中心管理系統(tǒng)。抄表時，由中心管理系統(tǒng)把各燃氣表的信息下載到手抄器中，抄表人員手持手抄器把欲抄取的燃氣表的信息通過無線方式傳送到相應燃氣表，當燃氣表對要求的功能處理完成后，把抄表信息傳回手抄器，中心管理系統(tǒng)通過手抄器獲得抄表信息，管理人員利用管理系統(tǒng)對抄表信息進行分析處理。

系統(tǒng)的主要功能[1]：對燃氣表數(shù)據(jù)的遠程查抄、對燃氣表的開關閥控制、計量、充值、收費以及管理系統(tǒng)報表打印，燃氣表故障自動診斷并報知管理人員，電源管理等。系統(tǒng)擴充靈活，便于維護。

系統(tǒng)設計的主要目標：

(1) 數(shù)據(jù)傳輸距離較遠：由于現(xiàn)在的用戶住宅多是小區(qū)，燃氣表安裝比較集中，抄表人員在小區(qū)內某點能夠抄取整個小區(qū)的燃氣表信息。

(2) 系統(tǒng)整體功耗低：系統(tǒng)用電池供電，因此對手抄器和燃氣表都要求供耗低，延長電池使用時間。

(3) 可靠性高

2系統(tǒng)的硬件設計

2.1無線通信模塊

在手抄器和燃氣表端共用同一種無線收發(fā)模塊－－CC1100。CC1100是一種低成本的真正單片的 UHF收發(fā)器，為低功耗無線應用而設計，它基于 Chipcon公司的 SmartRF技術[2,3]，采用 0.18umCMOS工藝制成，可編程配置數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達 500kbps。其體積小，所需外圍電路較為簡單，典型應用電路包括射頻輸入輸出電路、晶振電路、時鐘電路以及和微控制器的接口電路三部分。通過 6線 (SLCK、SO、SI、CSn、GDO0、GDO2)SPI就可以實現(xiàn)對芯片的配置、狀態(tài)的讀取、緩沖區(qū)內數(shù)據(jù)的讀寫操作，支持 ASK\OOK、FSK、GFSK、 MSK等調制方式，靈敏度高。為數(shù)據(jù)包的處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、電磁波激發(fā)、連接質量指示等提供廣泛的硬件支持，并且還具有內置硬件 CRC檢驗功能和點對多點通訊地址控制功能。

2.2燃氣表端硬件設計

燃氣表端硬件結構圖如圖 1所示，其中 EM78P153S為處理單元。EM78P153S具有低功耗、抗干擾能力強、處理速度快等特點。 EM78P153S通過 CC1100接收來自手抄器的命令，將命令傳送到燃氣表執(zhí)行并讀取燃氣表返回的數(shù)據(jù)，再將此數(shù)據(jù)通過 CC1100傳送回手抄器。 TPS61020為穩(wěn)壓電源，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，并且具有低壓指示功能，處理單元可根據(jù)此指示向用戶發(fā)出報警信息。

2.3手抄器硬件設計

手抄器硬件結構如圖 2所示，其中 M430F413[4]為處理單元，AT24C為存儲單元， ST7920為 LCD顯示單元， CP2102用于手抄器與管理系統(tǒng)的連接。 M430F413是一種具有超低功耗特性的功能強大的 16位單片機，片內集成了大量的外圍器件。當運行在 1MHz時鐘條件下時，工作電流可因工作模式不同在 0.1?A～300?A(3.3V)之間，工作電壓為 1.8V～3.6V。

AT24C系列為遵守 I2C總線規(guī)范的 EEPROM，連線和軟件設計都較簡單，可在同一總線上連接兩個此類器件，速率可被動調節(jié)，掉電后數(shù)據(jù)不丟失。本系統(tǒng)采用 AT24C1024存儲字庫，AT24C4096存儲用戶抄表信息。 CP2102為 USB和 UART之間的數(shù)據(jù)轉換芯片，通過 CP2102能夠使管理中心的 USB接口與 M430F413的串行接口之間傳送數(shù)據(jù)。

3系統(tǒng)的軟件設計

3.1系統(tǒng)的軟件流程

管理員先將欲抄表用戶信息下載到手抄器，抄表員手持手抄器進行抄表。當燃氣表收到喚醒碼后，就繼續(xù)接收命令幀。當燃氣表在 2s鐘內未收到任何命令，則休眠；若收到命令幀，先檢查是否為讀表地址命令，若是則直接將本表地址打包發(fā)送回手抄器，若不是，則檢測收到的地址是否為本表地址，若不是說明是發(fā)送給其它表的，則繼續(xù)接收，直到 2s時間到；若是，則將此命令發(fā)送到燃氣表執(zhí)行，并讀取執(zhí)行結果。最后將讀取的結果打包發(fā)送回抄表器。其處理流程如圖 3所示。

3.2無線通信設計

CC1100通過 SPI編程配置其功能。在本系統(tǒng)中，除了其常用功能外，如信道偵聽、同步字檢測、地址匹配等，還充分利用了其內置硬件 CRC檢驗和 WOR功能。CC1100發(fā)送數(shù)據(jù)時，處理單元先把欲發(fā)送的數(shù)據(jù)送到 CC1100的發(fā)送緩沖區(qū)，由其自動發(fā)送；在接收數(shù)據(jù)時，自動接收數(shù)據(jù)并存儲在接收緩沖區(qū)，再發(fā)送高電平脈沖信號通知處理單元讀取數(shù)據(jù)。

CC1100配置時使能 CRC檢驗功能，則在將數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)后，自動對數(shù)據(jù)進行 CRC檢驗，并將檢驗碼附于數(shù)據(jù)之后一起發(fā)送；在接收端，具有載波偵聽功能，對接收到的數(shù)據(jù)也自動進行 CRC檢驗，并將此 CRC碼和接收到的 CRC碼進行比較，若不相同，則數(shù)據(jù)包出錯，丟棄此包，繼續(xù)對信道進行偵聽，若相同，則發(fā)送電平信號到處理單元，由處理單元讀取接收緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)。在燃氣表端，使能 WOR功能。通過寄存器的設置，使 CC1100在休眠 EVENT0時間后，自動喚醒并處于接收狀態(tài) EVENT1時間。若在 EVENT1時間內，未接收到有效的數(shù)據(jù)則繼續(xù)休眠，若數(shù)據(jù)正確，對處理單元產生一個中斷，并等待接收數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，設置 EVENT0為 1.2s，EVENT1為 9ms。為保證手抄器和燃氣表之 間的可靠連接，在手抄器抄表時先發(fā)送 1.5s的喚醒碼，用于將處理單元從休眠模式喚醒。

系統(tǒng)采用 433MHz/38.4kbps速率，對于同樣的信息若數(shù)據(jù)包越小則 EVENT1就可設置越小，對于系統(tǒng)的節(jié)能更有效。在通信中，采用固定包長的數(shù)據(jù)，其格式如表 1所示，其中數(shù)據(jù)為欲發(fā)送的指令和參數(shù)或從燃氣表端讀取的數(shù)據(jù)，在由手抄器到燃氣表的過程中，狀態(tài)碼和錯誤代碼為隨機數(shù)。

3.3手抄器端存儲單元的軟件設計

手抄采用 AT24C1024存儲字庫，其存儲量為 128K字節(jié)，漢字以點陣形式存儲，每個漢字需要 32字節(jié)。在初始時，只存儲 3000個常用漢字，預留一定空間來存儲抄表時遇到的生僻字。使用 AT24C4096存儲用戶記錄信息，用戶記錄為 64字節(jié)，其格式如表 2所示。抄表時，提取出燃氣表地址和命令字節(jié)，加以幀頭、長度、檢驗碼等信息組成與燃氣表之間的通信幀。

4系統(tǒng)的節(jié)能設計由于本系統(tǒng)采用電池供電，所以低功耗設計顯得非常重要。系統(tǒng)所選用的 M430F413、 EM78P153S和 CC1100都能夠滿足低功耗設計的要求。它們都具有休眠模式和工作模式。

M430F413在休眠模式下電流低于 2?A，在工作模式下電流為 300?A。EM78P153S在休眠模式時電流為 1?A，在工作狀態(tài)時電流低于 1.5mA。CC1100在休眠模式時電流為 8.7?A，當為 433MHz，38.4kbps速率時，接收狀態(tài)下電流為 14.3mA，發(fā)送狀態(tài)下電流為 15.3mA，空閑狀態(tài)下電流為 1.6mA。所以只要設置休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)的時間比，就可以使其功耗很低。在這里我們設置 CC1100的休眠時間為 1.2s，工作時間為 9ms。控制器一般狀態(tài)下處于休眠狀態(tài)，當接收到有效的幀后，控制器和 CC1100同時工作 2s時間。由于抄表周期比較長，因此手抄器大部分時間處于關機狀態(tài)，燃氣表端大部分時間處于休眠狀態(tài)，經測試，燃氣表端的平均電流消耗低于 100?A，能很好的滿足要求。經測試，數(shù)據(jù)的有效傳輸距離可達 600m，對此設計了群抄功能，手抄器在發(fā)送一次喚醒碼后，可同時讀取同一片區(qū)內多個燃氣表的數(shù)據(jù)，降低了手抄器的工作時間。５ 結語

本文的創(chuàng)新觀點在于選用的無線收發(fā)設備 CC1100具有 WOR功能，對于系統(tǒng)的節(jié)能設計提供了很好的條件；其次是手抄器存儲器的設計，選取不同的 EEPORM存儲不同的信息，節(jié)省了開發(fā)費用。

自動抄表是電子技術發(fā)展和管理水平提高的必然結果。本文設計的燃氣表無線遠程抄表系統(tǒng)，具有成本低、功耗低、實時性和可靠性較好，以及易于維護等優(yōu)點，對用戶和燃氣公司都能接受，具有較好的推廣價值。