2020年12月29日 | 基于M430F413和EM78P153S的无线抄表系统设计

针对现在抄表系统复杂度高或成本高等问题，本文设计了一套燃气表无线抄表系统，从基本架构、主要功能、软硬件的实现加以说明，具有实时、可靠、经济、低功耗等优点。该系统采用 M430F413和 EM78P153S为控制单元，CC1100为无线通信单元。该系统稳定可靠，具有良好的应用和推广价值。

0引言

随着城镇的扩大和经济的发展，天然气的使用也起来起广泛。天然气使用的普及范围也越来越大，如果采用传统的人工上门抄表方式，将会浪费大量的人力和时间。所以大多采用远程抄表，目前的远程抄表系统常用通信方式有： RS232+PSTN通信，电力载波通信， GPRS无线数传等：

(1)用 RS232+PSTN组网通信：线路连接时间较长，实时性不够，当集中器数目较多时，租用电话线路多，其费用也很可观，不适合大容量的系统；

(2)通过低压载波通信：该方式数据传输时易受电网谐波、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致错码、丢码的情况，数据传输可靠性低；

(3) GPRS无线数传：无线模块价格高，从经济上考虑难以推广。

由于现在住宅小区相对集中，本文设计了一种针对于燃气表的远程无线抄表系统，具有复杂度低、成本低、功耗低、实时性和可靠性较好，以及易于维护等优点。

1系统的总体方案设计

本系统由三部分组成：安装在用户家的智能燃气表、抄表人员手持的手抄器、中心管理系统。抄表时，由中心管理系统把各燃气表的信息下载到手抄器中，抄表人员手持手抄器把欲抄取的燃气表的信息通过无线方式传送到相应燃气表，当燃气表对要求的功能处理完成后，把抄表信息传回手抄器，中心管理系统通过手抄器获得抄表信息，管理人员利用管理系统对抄表信息进行分析处理。

系统的主要功能[1]：对燃气表数据的远程查抄、对燃气表的开关阀控制、计量、充值、收费以及管理系统报表打印，燃气表故障自动诊断并报知管理人员，电源管理等。系统扩充灵活，便于维护。

系统设计的主要目标：

(1) 数据传输距离较远：由于现在的用户住宅多是小区，燃气表安装比较集中，抄表人员在小区内某点能够抄取整个小区的燃气表信息。

(2) 系统整体功耗低：系统用电池供电，因此对手抄器和燃气表都要求供耗低，延长电池使用时间。

(3) 可靠性高

2系统的硬件设计

2.1无线通信模块

在手抄器和燃气表端共用同一种无线收发模块－－CC1100。CC1100是一种低成本的真正单片的 UHF收发器，为低功耗无线应用而设计，它基于 Chipcon公司的 SmartRF技术[2,3]，采用 0.18umCMOS工艺制成，可编程配置数据传输速率，最高可达 500kbps。其体积小，所需外围电路较为简单，典型应用电路包括射频输入输出电路、晶振电路、时钟电路以及和微控制器的接口电路三部分。通过 6线 (SLCK、SO、SI、CSn、GDO0、GDO2)SPI就可以实现对芯片的配置、状态的读取、缓冲区内数据的读写操作，支持 ASKOOK、FSK、GFSK、 MSK等调制方式，灵敏度高。为数据包的处理、数据缓冲、突发数据传输、电磁波激发、连接质量指示等提供广泛的硬件支持，并且还具有内置硬件 CRC检验功能和点对多点通讯地址控制功能。

2.2燃气表端硬件设计

燃气表端硬件结构图如图 1所示，其中 EM78P153S为处理单元。EM78P153S具有低功耗、抗干扰能力强、处理速度快等特点。 EM78P153S通过 CC1100接收来自手抄器的命令，将命令传送到燃气表执行并读取燃气表返回的数据，再将此数据通过 CC1100传送回手抄器。 TPS61020为稳压电源，为系统提供稳定的电压，并且具有低压指示功能，处理单元可根据此指示向用户发出报警信息。

2.3手抄器硬件设计

手抄器硬件结构如图 2所示，其中 M430F413[4]为处理单元，AT24C为存储单元， ST7920为 LCD显示单元， CP2102用于手抄器与管理系统的连接。 M430F413是一种具有超低功耗特性的功能强大的 16位单片机，片内集成了大量的外围器件。当运行在 1MHz时钟条件下时，工作电流可因工作模式不同在 0.1?A～300?A(3.3V)之间，工作电压为 1.8V～3.6V。

AT24C系列为遵守 I2C总线规范的 EEPROM，连线和软件设计都较简单，可在同一总线上连接两个此类器件，速率可被动调节，掉电后数据不丢失。本系统采用 AT24C1024存储字库，AT24C4096存储用户抄表信息。 CP2102为 USB和 UART之间的数据转换芯片，通过 CP2102能够使管理中心的 USB接口与 M430F413的串行接口之间传送数据。

3系统的软件设计

3.1系统的软件流程

管理员先将欲抄表用户信息下载到手抄器，抄表员手持手抄器进行抄表。当燃气表收到唤醒码后，就继续接收命令帧。当燃气表在 2s钟内未收到任何命令，则休眠；若收到命令帧，先检查是否为读表地址命令，若是则直接将本表地址打包发送回手抄器，若不是，则检测收到的地址是否为本表地址，若不是说明是发送给其它表的，则继续接收，直到 2s时间到；若是，则将此命令发送到燃气表执行，并读取执行结果。最后将读取的结果打包发送回抄表器。其处理流程如图 3所示。

3.2无线通信设计

CC1100通过 SPI编程配置其功能。在本系统中，除了其常用功能外，如信道侦听、同步字检测、地址匹配等，还充分利用了其内置硬件 CRC检验和 WOR功能。CC1100发送数据时，处理单元先把欲发送的数据送到 CC1100的发送缓冲区，由其自动发送；在接收数据时，自动接收数据并存储在接收缓冲区，再发送高电平脉冲信号通知处理单元读取数据。

CC1100配置时使能 CRC检验功能，则在将数据送到发送缓冲区后，自动对数据进行 CRC检验，并将检验码附于数据之后一起发送；在接收端，具有载波侦听功能，对接收到的数据也自动进行 CRC检验，并将此 CRC码和接收到的 CRC码进行比较，若不相同，则数据包出错，丢弃此包，继续对信道进行侦听，若相同，则发送电平信号到处理单元，由处理单元读取接收缓冲区内的数据。在燃气表端，使能 WOR功能。通过寄存器的设置，使 CC1100在休眠 EVENT0时间后，自动唤醒并处于接收状态 EVENT1时间。若在 EVENT1时间内，未接收到有效的数据则继续休眠，若数据正确，对处理单元产生一个中断，并等待接收数据。在本系统中，设置 EVENT0为 1.2s，EVENT1为 9ms。为保证手抄器和燃气表之 间的可靠连接，在手抄器抄表时先发送 1.5s的唤醒码，用于将处理单元从休眠模式唤醒。

系统采用 433MHz/38.4kbps速率，对于同样的信息若数据包越小则 EVENT1就可设置越小，对于系统的节能更有效。在通信中，采用固定包长的数据，其格式如表 1所示，其中数据为欲发送的指令和参数或从燃气表端读取的数据，在由手抄器到燃气表的过程中，状态码和错误代码为随机数。

3.3手抄器端存储单元的软件设计

手抄采用 AT24C1024存储字库，其存储量为 128K字节，汉字以点阵形式存储，每个汉字需要 32字节。在初始时，只存储 3000个常用汉字，预留一定空间来存储抄表时遇到的生僻字。使用 AT24C4096存储用户记录信息，用户记录为 64字节，其格式如表 2所示。抄表时，提取出燃气表地址和命令字节，加以帧头、长度、检验码等信息组成与燃气表之间的通信帧。

4系统的节能设计由于本系统采用电池供电，所以低功耗设计显得非常重要。系统所选用的 M430F413、 EM78P153S和 CC1100都能够满足低功耗设计的要求。它们都具有休眠模式和工作模式。

M430F413在休眠模式下电流低于 2?A，在工作模式下电流为 300?A。EM78P153S在休眠模式时电流为 1?A，在工作状态时电流低于 1.5mA。CC1100在休眠模式时电流为 8.7?A，当为 433MHz，38.4kbps速率时，接收状态下电流为 14.3mA，发送状态下电流为 15.3mA，空闲状态下电流为 1.6mA。所以只要设置休眠状态和工作状态的时间比，就可以使其功耗很低。在这里我们设置 CC1100的休眠时间为 1.2s，工作时间为 9ms。控制器一般状态下处于休眠状态，当接收到有效的帧后，控制器和 CC1100同时工作 2s时间。由于抄表周期比较长，因此手抄器大部分时间处于关机状态，燃气表端大部分时间处于休眠状态，经测试，燃气表端的平均电流消耗低于 100?A，能很好的满足要求。经测试，数据的有效传输距离可达 600m，对此设计了群抄功能，手抄器在发送一次唤醒码后，可同时读取同一片区内多个燃气表的数据，降低了手抄器的工作时间。

５ 结语

本文的创新观点在于选用的无线收发设备 CC1100具有 WOR功能，对于系统的节能设计提供了很好的条件；其次是手抄器存储器的设计，选取不同的 EEPORM存储不同的信息，节省了开发费用。

自动抄表是电子技术发展和管理水平提高的必然结果。本文设计的燃气表无线远程抄表系统，具有成本低、功耗低、实时性和可靠性较好，以及易于维护等优点，对用户和燃气公司都能接受，具有较好的推广价值。