基于A(yíng)tmega128L的低功耗無(wú)線(xiàn)水表數據采集通信終端的設計和研究
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1 總體結構
數據采集通信終端長(cháng)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(diǎn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的難度；如果在終端安裝電池，就會(huì )帶來(lái)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(shí)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(diǎn)：(1)硬件設計細化了無(wú)線(xiàn)射頻模塊與Atmega128L間的布局走線(xiàn)；(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(xiàn)把時(shí)鐘區隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定；(4)在無(wú)線(xiàn)部分加用屏蔽罩進(jìn)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(diǎn)帶來(lái)的損壞問(wèn)題，整個(gè)終端節點(diǎn)的外觀(guān)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(dòng)抄表系統擔負著(zhù)各水表數據的采集任務(wù)，并根據需要向上一級發(fā)送采集的數據。系統數據采集模塊選用無(wú)源直讀式水表的原因是其低功耗。無(wú)源直讀式水表的優(yōu)點(diǎn)是系統平時(shí)不工作、不用電、無(wú)功耗(所以稱(chēng)無(wú)源)；抄表時(shí)讀取的是水表實(shí)時(shí)字輪數字(所以稱(chēng)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(fā)射源(如圖3中1)，發(fā)射源發(fā)射出的光通過(guò)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(guò)信息編碼識別技術(shù)，識別出字輪上0~9這10個(gè)數字。計算機中的信息編碼識別技術(shù)用4個(gè)bit位就可以表示10個(gè)數字，但由于海明編碼規則還應該增加1個(gè)bit位用于校驗，所以每個(gè)字輪應有5對光電發(fā)射源和接收管以及字輪上的5個(gè)數字有透光孔。其實(shí)際上是利用多個(gè)接收點(diǎn)的不同位置狀態(tài)來(lái)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(fā)射源和接收管之間處于不透光的位置時(shí)，感應裝置輸出的信號設為高電平；當發(fā)射源和接收管之間處于透空的位置時(shí)，感應裝置輸出的信號設為低電平。一個(gè)字輪所有感應裝置的輸出構成了這個(gè)字輪的信息編碼，從而可得到字輪上的數字。將每個(gè)字輪上的讀數傳送給無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC1020，并由其發(fā)送出去，便實(shí)現了水表的遠程抄讀。
1.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊
無(wú)線(xiàn)通信模塊用于終端節點(diǎn)與集中器之間的數據通信。此模塊選用Chipcon公司的無(wú)線(xiàn)射頻芯片CC1020。CC1020是一種理想的超高頻單片收發(fā)器芯片，其基于0.35 μm CMOS的Chipcon的SmartRF-2技術(shù)，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(shí)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(shù)來(lái)提高數據抗突發(fā)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(shí)，空曠場(chǎng)所可靠傳輸距離可達800 m以上。
無(wú)線(xiàn)通信模塊電路如圖4所示。主要由晶振時(shí)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(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)與CC1020相連接，可實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信模塊的工作模式設置、緩存讀/寫(xiě)，以及狀態(tài)寄存器讀/寫(xiě)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(chēng)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(wú)線(xiàn)模塊支持的最低電壓為3 V，當電源電壓高于檢測電壓時(shí)，MCP111輸出保持高電平；若低于檢測電壓時(shí)輸出將變?yōu)榈碗娖?，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(gè)月，提供足夠更換電池的時(shí)間。
終端主要耗電部分為無(wú)線(xiàn)通信模塊CC1020和單片機Atmega128L。由數字萬(wàn)用表DT9806測量采集通信終端休眠時(shí)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(shí)完成一次通信過(guò)程的平均電流為64.6 mA，一次通信時(shí)間為2 s，每天采集并發(fā)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(shí)，可以估算出采集通信終端電池可以使用10年以上。
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