一種水表無線校驗裝置的控制算法設計

段爭光，余云飛

(蕪湖職業技術學院 電氣工程學院，安徽 蕪湖241006)

隨著科學技術的不斷發展，居民住宅里出現了多種類型的智能水表，多數智能水表能夠用電子裝置記錄、保存用水量信息，也允許這些用水量數據進行遠程傳輸。 但智能水表價格昂貴，傳統的機械水表目前仍是居民使用量最多的一類[1]。 傳統水表雖然在實時讀取用水量信息上有不足之處，但是不影響數據的人工讀取，也沒有電能消耗，因而價格便宜，仍是多數居民住宅的首選。 傳統的校驗裝置在數據讀取時，采用有線通信，由于導線的連接造成測量設備使用多有不便。 在安裝、調試的過程導線也限制了校驗設備的使用范圍，同時，在水表校驗完成后的拆裝過程中容易受到水的影響，影響校驗的工作效率。 本文針對機械水表出廠前的校驗裝置進行改進，如果水表校驗設備采用無線通信方式傳輸數據、鋰電池供電，不僅使水表可以脫離導線的控制，而且水表校驗設備在安裝、調試過程中更為便利，也不再具備導線對水表帶來的諸多不利因素，使校驗工作的效率得到提升。

本文所設計的無線通信水表校驗裝置可以更便捷、更快速地實現對水表校驗的操作。 采用ZigBee 無線通信技術，在一套ZigBee 網絡無線校驗裝置中，可有一個主設備和不多于254 個從設備，且可滿足200 多個無線校驗裝置同時存在一個區域內。 節點容量完全滿足水表企業對水表校驗的需求。 該校驗設備避免了網絡布線，具有組網快速、工作能耗低、可移動范圍大且數據傳輸可靠等諸多優點，在水表的校驗過程中設備安裝、調試更加靈活、快捷和便利。

1 系統結構

1.1 系統構成

水表無線校驗裝置的系統包含測量模塊、控制模塊、無線傳輸模塊和供電模塊4 部分。 其中，測量模塊包括信號發射電路、信號采集電路、信號指示電路等各功能部件；控制模塊包括CPU、按鍵和用于人機交互與控制的上位機軟件；無線傳輸模塊為ZigBee 無線通信電路；供電模塊包括鋰電池供電電路和充電電路功能部件。

CPU 選用CC2530 處理器，采用3.3 V 供電，內部具有Flash 存儲器和集成ZigBee 通信功能。 信號發射電路用于產生200kHz 的激光脈沖。 激光頭發射的激光脈沖必須對準水表齒輪的分度圓處，當齒輪轉動時，激光脈沖交替地照射在齒輪的齒上和齒槽內。 信號采集電路由激光接收管構成，負責接收來自照射到水表齒輪分度圓處反射的激光脈沖。 根據光的反射定律，激光接收管的位置固定后，只能接收到齒輪齒上或齒輪槽內反射的激光脈沖，該激光脈沖經激光接收管解調后，變為電脈沖信號。 齒輪轉動一周產生的電脈沖數等于齒輪的齒數，故電脈沖信息代表齒輪轉動的情況，可見，該電脈沖信號可用于記錄水表的用水量[2]。 信號指示電路用于指示校驗裝置的各種工作狀態、測量和故障信息。 控制模塊的輸入采用按鍵和上位機軟件，可獨立控制測量功能如啟動、停止、暫停等命令的操作。 ZigBee 無線通信電路負責控制命令信息和水流量數據信息的收發。 上位機控制模塊除具有校驗裝置的通信電路和指示電路外，其傳輸功能是通過串口把測量數據送入上位機。

1.2 硬件電路的實現

針對水表無線校驗裝置的功能要求，硬件電路中用于記錄水表流量數據的器件選用激光管，設備安裝后把發射的激光束照射在水表轉動齒輪的分度圓處，根據水表齒輪的轉動可以接收到反射的代表水表流量的激光信號，經激光接收管解調為矩形電脈沖信號。 對采集到的代表水流量信息的電脈沖信號送入CC2530處理器中，CC2530 處理器經I/O 端口P2.4 以中斷方式記錄水流量信息的電脈沖信號。 針對記錄的水流量數據根據要求經過處理后，通過無線通信的方式定時送給上位機(路由節點)。

為了脫離導線，使用電池供電、提高校驗設備的工作時長，選用電能存儲容量較大的鋰離子電池。 要使校驗設備更快速、方便地使用，還應具備充電功能，電池供電及充電電路如圖1 所示。 在對電池進行充電時，外部電源從右側輸入，D1 選用肖特基二極管SS14 以實現電池與電源的隔離，同時又不影響電池單獨供電。充電控制電路選擇鋰離子電池充電芯片TP4056，用于實現4.2 V 恒壓、恒流充電，引腳2 可設置充電電流，當供電電源的電壓為5 V 時，PROG 引腳電壓為恒定值1 V，如果充電電流設置為300 mA，則外接電阻R2 應為4 kΩ，根據E96 系列電阻標稱值，選擇電阻值為3.92 kΩ。 充電指示發光二極管D3 亮時表示充電正在進行，充電完成指示發光二極管D2 亮時表示充電完成。 其中，TVS 為瞬態抑制二極管1.5KE6.8CA，用于靜電保護、吸收浪涌等瞬變電壓，消除電源或外部的電壓干擾。 R1 為自恢復保險絲，由于無線校驗裝置的工作電流較低，在選用時，選擇RXEF 系列的自恢復保險絲RXEF010。

圖1 供電及充電電路圖

2 設備的組網方式

2.1 系統整體架構和網絡

水表無線校驗裝置的測量模塊安裝在水表的表盤上，當水表的齒輪轉動時，測量模塊應能檢測到代表水流量信息的水表齒輪信息。 測量模塊與控制模塊、無線通信模塊一起構成了終端節點對用水量信息的檢測和傳輸。 ZigBee 無線通信的拓撲結構采用星形網絡結構，測量系統的整體框架如圖2 所示。 一個終端檢測節點用于一個水表校驗裝置，它將測量的水表用水量數據定時地發送給協調器，協調器對各個水表測量的用水量數據進行記錄、分析，并監測。 從而可以判斷各個終端節點在校驗過程中的異常狀態，達到實時檢測各終端節點的目的。 當監測到有異常終端節點出現時，及時作出響應，如可設置為聲光警示，提醒操作人員對檢測節點進行維護或調整，不用再等到整體校驗完成后才發現異常問題，這樣就節省了故障判斷的時間，從而提高了水表校驗的效率。 協調器將各個終端節點校驗和檢測的數據傳遞到上位機中保存。 上位機的作用就是對測量數據進行存儲、統計，為操作人員觀察校驗數據，分析產品質量提高幫助。

2.2 通信算法實現

圖2 測量系統整體框架

ZigBee 無線通信使用的頻段為2.4 GHz，在2.4 GHz 頻段內的100 MHz 里，除ZigBee 網絡外，還有藍牙、WiFi 等。 他們使用的頻段之間相互重疊，如果這些信號同時存在于同一區域內，就會形成共存問題[3]。 即在共存環境中，各無線網絡之間不能相互協商頻率資源的使用，就會造成無線通信沖突。 雖然各通信的網絡協議不同，但相互競爭有限的頻譜，造成的相互干擾會導致網絡傳輸性能的下降。 為了克服這種由于共存問題造成的影響，考慮到手機通信使用WiFi 功能較多，我們選用受WiFi 通信影響相對較小的26 號信道(頻率為2.48 GHz)來盡可能地克服這種異質干擾。

由于采用星形網絡結構，協調器對終端的通信采用組播方式，數據傳輸模式設定為每個終端在固定的時間間隔點傳輸數據給協調器。 可同時控制各個終端設備的啟動、暫停和停止。 在終端節點啟動后，終端節點會采用點播方式定時地把用水量數據傳輸給協調器。 雖然ZigBee 設備擁有CSMA-CA 算法[4]，但會造成同質干擾和數據擁堵。 為了克服這些問題，系統采用對數比例等分時間間隔算法，使無線通信具有快速調整發送數據的時間，以消除同質干擾問題。 具體實現方法為終端節點在數據發送周期T 的固定時間內，根據終端節點的數量，采用對數比例等分時間間隔，把周期T 分成終端節點相同數量的份額，各終端節點在周期T內以此時間份額對應的時間發送數據。 若對數比例等分時間間隔過短則遞進乘10 次冪以擴大時間間隔。這樣各終端節點發送給協調器的時間間隔為T 內的一個對數比例等分的數值，各終端發送數據給協調器的時間間隔均不相等和協調器接收各終端節點數據的時間與其發送時間相對應避免協調器接收數據時發生擁堵。 各終端節點也可以快速設定自身發送數據的時間避免同質干擾。 各終端節點設定的初始發送數據的時間值為：

其中，周期T 內第k 個終端的發送時間tEndk為對數比例間隔時間值，n 表示終端節點的個數。 若時間間隔過短，在周期T 內tEndk逐步乘10，以實現快速擴大時間間隔的目的，同時避免發送的數據出現同質干擾與擁堵。

水表無線校驗裝置有30 個ZigBee 終端節點，各終端節點以點播方式傳輸數據給協調器。 設置終端節點對協調器的數據傳輸周期為5000 ms，協調端通過組播發送啟動命令給各終端，保證終端發送數據的起始時間一致。 各終端初始發送用水量數據給協調器的時間值如表1 所示，是采用對數比例等分時間間隔算法的步進數值，其中2～20 號終端與其他終端的時間值間隔過短，均為乘10 后的時間值。

表1 n = 30，T = 5s 時的終端初始發送數據時間值

3 實際測試

圖3 終端節點時間平均值與設定值比較圖

圖4 接收數據時間誤差值

根據對測量數據的參數和格式要求，水表無線校驗裝置的每個終端在一個周期內傳輸數據包的長度為18 字節，由于調頻2.4 GHz 對應數據位的傳輸速率為250 kbit/s，18字節為144 bit，整個數據包傳輸時間為576 μs。 協調器與終端節點的空間距離以最大75 m 進行計算，無線通信所需要的傳輸時間為75 m/(3×108m/s)= 0.25 μs，可見，空間距離對數據傳輸時間的影響可以忽略不計。 也沒必要根據終端節點距離協調器的距離由近及遠按初始發送數據時間值的大小分配時間值。 可根據工程的便利，任意分配終端節點數據初始發送的時間值。 在有30 個終端節點的水表無線校驗裝置上，隨機抽取各終端節點發送給協調器的數據，記錄100 次協調器接收數據的時間值進行分析，發現數據的丟包率極低，可見數據的擁堵和無線通信的同質干擾也有很大改善。 圖3 是以協調器接收到1 號終端發送的數據的時間值作為時間基準，計算接收的各終端節點100 次的時間間隔，然后計算時間間隔平均值與終端節點初始設定的時間值，對比得到的數據。 從圖3 中可以看出兩者的數據曲線基本一致。 圖4 為兩者時間值之差，是終端節點初始設定時間減去接收時間間隔平均值的誤差，最大誤差不超90 ms。 可見，在終端節點以對數比例等分時間的方式發送出數據后，協調器接收到的數據中雖有少數節點接收誤差大，但無丟包情況出現，因此，可知對數比例等分時間間隔算法的加入對ZigBee 無線通信來說，不失為一種避免數據擁堵和干擾的有效算法。

4 結語

水表無線校驗裝置在采用ZigBee 無線通信后，消除了原有裝置中導線給設備拆裝帶來的諸多不便，增強了設備拆裝的靈活性，使校驗裝置更加便攜。 采用星形拓撲結構網絡，協調器對終端節點使用組播方式控制終端設備，實現終端設備啟動、暫停和停止的同步。 終端節點使用點播方式定時把數據傳輸給協調器，終端節點在數據采集后，通過對數比例等分時間間隔算法發出數據實現了快速地避免無線通信中的同質干擾和數據擁堵問題。