基于Atmega128L的低功耗無線水表數(shù)據(jù)采集通信終端的設(shè)計和研究
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1 總體結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)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(yuǎn)和防潮性強。綜合以上要點，終端結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖1所示。
為了降低抄表終端功耗，數(shù)據(jù)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(shè)計的數(shù)據(jù)采集通信終端盡可能做到了節(jié)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(shè)計細(xì)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(qū)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(jìn)行電磁屏蔽提高系統(tǒng)的抗干擾性。為了解決地下潮濕給終端節(jié)點帶來的損壞問題，整個終端節(jié)點的外觀粘上一層防水膠，以達(dá)到IP68防水標(biāo)準(zhǔn)。
1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
自動抄表系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著各水表數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，并根據(jù)需要向上一級發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(yōu)點是系統(tǒng)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(shù)字(所以稱直讀)。水表計數(shù)器如圖2所示，字輪側(cè)剖圖如圖3所示。
其原理是在每一位字輪的一側(cè)設(shè)置固定的光電發(fā)射源(如圖3中1)，發(fā)射源發(fā)射出的光通過透光孔(圖3中3)，被位于字輪另一側(cè)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(shù)，識別出字輪上0~9這10個數(shù)字。計算機中的信息編碼識別技術(shù)用4個bit位就可以表示10個數(shù)字，但由于海明編碼規(guī)則還應(yīng)該增加1個bit位用于校驗，所以每個字輪應(yīng)有5對光電發(fā)射源和接收管以及字輪上的5個數(shù)字有透光孔。其實際上是利用多個接收點的不同位置狀態(tài)來判斷字輪轉(zhuǎn)到了什么數(shù)的位置，從而確定所對應(yīng)的數(shù)據(jù)[2]。即：當(dāng)發(fā)射源和接收管之間處于不透光的位置時，感應(yīng)裝置輸出的信號設(shè)為高電平；當(dāng)發(fā)射源和接收管之間處于透空的位置時，感應(yīng)裝置輸出的信號設(shè)為低電平。一個字輪所有感應(yīng)裝置的輸出構(gòu)成了這個字輪的信息編碼，從而可得到字輪上的數(shù)字。將每個字輪上的讀數(shù)傳送給無線收發(fā)模塊CC1020，并由其發(fā)送出去，便實現(xiàn)了水表的遠(yuǎn)程抄讀。
1.2 無線通信模塊
無線通信模塊用于終端節(jié)點與集中器之間的數(shù)據(jù)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(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]，使用時只需極少的外部元件，其性能穩(wěn)定，并且采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)來提高數(shù)據(jù)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，空曠場所可靠傳輸距離可達(dá)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(xiàn)無線通信模塊的工作模式設(shè)置、緩存讀/寫，以及狀態(tài)寄存器讀/寫等功能。
1.3 電源
系統(tǒng)供電選用型號是ER3415M鋰亞電池(鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池)，其標(biāo)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(dá)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(shè)定無線模塊支持的最低電壓為3 V，當(dāng)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?yōu)榈碗娖剑⑻嵝央姵仉娏康牟蛔?。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(shù)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(fā)送一次數(shù)據(jù)，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。
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