基于ＭＳＰ４３０与ＣＣ１１００设计开发无线远传直读自动抄表系统
郑州欧丽集团安然测控设备有限公司（４５０００６） 高瑞 冯德军
摘要：本文通过对智能ＩＣ卡燃气表运行中存在的问题、脉冲式和直读式远传表的工作原理及发展现状进行论述，认为在所有的远传表计方案中，采用直读技术实现表计数据在技术和实施性等方面占有最大优势。并在此基础上讨论了ＭＳＰ４３０单片机和ＣＣ１１００射频收发器在无线远传直读抄表系统的应用设计方案。
关键词：无线远传 直读 采集器 自动抄表系统
自动抄表（ＡｕｔｏｍｔｉｃＭｅｔｅｒＲｅａｄｉｎｇ－ＡＭＲ）是指利用微电子和计算机网络、传感等技术自动读取和处理表计数据，将城市居民的表计信息加以综合处理的系统。
１ 概述
随着我国燃气行业的加速发展，管道燃气用户不断增加，现行燃气费回收仍然是采用查表员按月入户查表，人工收费的办法。其工作强度大，效率低且工资、福利及设施管理费用增加。该办法收费使得企业在燃气购销结算上不同步，占用企业大量资金。此外人情抄表，人情收费，人为窃气，煤气表故障漏气更使燃气公司的燃气损失率越来越大。为解决上述问题，燃气行业出现了各种新的技术和管理办法。如ＩＣ卡燃气表以实现燃气预收费；银行的“一卡通”实现银行自动代交费；采用ＰＯＳ机现场抄表收费；采用远程集中抄表技术实现了不进户抄表功能等。
２ ＩＣ卡预收费系统的主要问题
（１）随着电子技术和微机的不断普及和更新，ＩＣ卡很容易被解密造成假卡、伪卡情况，这样就给物业管理和国家带来巨大的损失。很难想象一种卡可以在长达８年的时间里进行交易活动。
（２）售后服务难以解决，如ＩＣ卡表的电池问题，是困扰用户和行业管理者的心病。电池的寿命最为担忧，如果１０万用户卡表２、３年后需要更换电池的话，先不考虑材料成本，其浩大的维护工程以及用户与企业间将存在很大的矛盾。
（３）ＩＣ卡表使用中带有某种私有特性，由于其抗干扰能力弱，质量问题表现突出。其读写卡部分易受外界攻击，造成控制系统失效，并且难以取证认定，极易发生用户与企业的纠纷。
（４）其价格高、寿命短、综合效益差、使用风险大。
（５）服务角色倒置，社会形象下降。由原入户查表的服务改为坐堂收费，使原本属于售卖方提供的服务变成消费者自己承担的劳动。若卡式表收费网点过少，用户交费必然不便；若增多，将加重企业的投资和管理负担。
３ 远传表（脉冲表、直读表）和抄表系统
远传表是利用电子技术和传感技术，对传统燃气表加以改进，即能直观显示相关能耗计量数据，又能输出信号或数据的新型计量表具。目前使用的远传表有两代产品：脉冲表和直读表。
３．１脉冲式远传燃气气抄表
在表计的计数盘上加装磁铁，如磁铁安装在计数盘（例如０．０１ｍ３）位上，在其附近安装干簧管，当转盘每转一圈，磁铁经过干簧管一次即产生一个开关信号一脉冲，对应０．０ｌｍ３，由外部的采集器提供电源并采集累计脉冲个数，通过公式（用气量＝脉冲数×每个脉冲代表的气量）计算用气量。
３．２直读式智能远传燃气表
常见的直读式远传燃气表大致分为三类：光电式、摄像式和计数式。它们有两个共同的
优点：１．表具上读出的数据就是表盘上显示的数据，不是脉冲。２．平时不需要加电，只在读取数据的瞬间上电，因此功耗极低，从而解决了ＩＣ卡表电池供电寿命短的问题，从理论上讲，它的读出数据和字轮数据总是同步的。光电式又可以分为光电反射式和光电透射式，本文主要讨论光电透射式直读燃气表的设计方案。
３．２．１结构及直读方案设计
近年来也有很多人试着去研究开发直读表产品，但半位问题一直是最大的困扰，从而使得直读表在市场上不能大量推广。本设计方案采用光电透射的方法对燃气表计数器进行读数，在结构方面需对每一个字轮进行专门设计和加工，在传统字轮的基础上增加两个码道，通过直读模块在每个字轮的两侧分别放置５个发射管和５个接收管（图二）在字轮不同的读数位置，光电管受码道位置的影响，５个接收管会产生不同的数字信号，从而产生２１个不同的编码。
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图 一
该方案中从“０”到“９”十个数字的正位及进位位置的都存在有唯一的编码，特别是在“０”到“９”之间的位置存在一个半位判断码，当低位处于进位位置时，半位判断码出现，通过应用软件对读到的字轮数据进行修正和处理，可以准确读出当前字轮显示数据。举例说明：当字轮读数为０００１９ ｍ３时，在字轮转到０００２０ ｍ３之前，个位“９”向“０”进位，带动十位“１”向“２”旋转，如果数据处理不当，将可能出现“０００１０ ｍ３”、“０００２９ ｍ３”这样的读数。
为了解决半位问题，本文作者从理论到实践经过多次研究，对设计方案进行了修改和实际产品验证，实践证明在结构和装配误差要求范围内，确定此方案可以做到准确读取字轮数据，由此方案设计的直读式燃气表还具有如下特点：
ａ．直读模块与基表的传动装置如齿轮、字轮等没有任何机械接触。也没有机械动作，在选定的皮膜式燃气表换上符合标准的专用计数器，此项工作由基表厂家自行改装、校验即可完成。特别适合将来燃气表换轮改造。
ｂ．其信号发生原理是光电方式，生成的是数字信号。与生成模拟信号相比，不会出现因湿度或时间造成的器件参数漂移产生的误差，其系统稳定性更强。
ｃ．防盗、防破坏、防误发信号措施，该模块只在读表瞬间通电工作，直接读取表计窗口值，不用累计脉冲换算，而且其传送数据经过加密处理。所以即使电池电压低或恶意扣掉电池也可以及时发现，恢复后读到的仍是表计窗口值，不用设置参数和底数；该数据不会被其它非法系统读取，系统也不会接受非法数据来源；采用加密和冗错技术，可有效防止误码现象，如直读模块已损坏到无法读出正确数据的程度，其提示故障，不会发生误码。
ｄ．防磁功能：表计内的直读模块平时不工作不通电，只在读表瞬间带电工作，并且读取的是数字信号，不受磁性影响。
ｅ．不需要阀门控制，有故障出现时不会影响用户用气，可以最大程度上方便用户，故障修复后读到的数据仍为表计窗口值，与表底数及其它参数无关。
３．２．２硬件方案设计
系统组成框图如图二所示，直读模块读出的数据经过单片机处理后再经由无线收发模块
CC1100采用无线的方式对外进行通讯。
系统中无线收发模块采用Ｃｈｉｐｃｏｎ公司推出的基于ＳｍａｒｔＲＦ０４技术平台的１ＧＨｚ一下ＲＦ
芯片—CC1100，CC1100是一款多通道RF收发器，工作在315、433、868和915MHz免许
可证ISM频段，有助于降低自动抄表（AMR）系统应用RF解决方案的成本。CC1100的功
耗很低，除了RX电流消耗低达14-15mA（与所要求的通信距离有关）外，ＣＣ１１００还包括
无线电唤醒（Wake-on-Radio (WOR) )功能，这在被选中的接收机系统中可大大降低平均系
统功耗。该器件的工作电压范围（１．８Ｖ至３．６Ｖ）可完全利用电池的容量，因此系统设计采用
锂电池供电，电池使用寿命长达８－１０年。
图 二
ＣＣ１１００接收器灵敏度高（－１１０ｄＢｍ／１．２ｋｂｐｓ），并支持ＦＳＫ、ＧＦＳＫ、ＡＳＫ／ＯＯＫ和ＭＳＫ调制
方法，在所有频段，提供１０ｄＢｍ的输出功率。ＣＣ１１００片上支持包括预放、同步字插入／检测、
地址检查、灵活的包长度和自动ＣＲＣ。这大大减少了外部ＭＣＵ的负担，可使用低成本ＭＣＵ。
此外ＣＣ１１００采用４×４ｍｍ ２０引脚ＱＦＰ封装，小尺寸加上外围元件少，使得整个ＲＦ解决方案
尺寸很小（图三）。
图 三
系统的ＭＣＵ使用ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０系列，是一种具有超低功耗得功能强大的１６位单片
机。当运行在１ＭＨｚ时钟条件下时，工作电流可因工作模式不同在０．１ｕＡ～２００ｕＡ（２．２Ｖ）之
间，工作电压为１．８Ｖ～３．６Ｖ。其高效率精简１６位指令结构可以确保任何任务的快速执行，
大多数指令可以在一个时钟周期内完成；它还具有高级语言编程的能力，可以加速软件的可
发。推荐使用ＭＳＰ４３０Ｆ１３５系列单片机，ＭＣＵ与ＣＣ１１００间采用串口通讯，速度快，准确率高，安全可靠。
存储器作为数据存储单元，主要存储表计自身地址信息以及作为中继时，存储本单元相关表计的数据信息。
３．２．３软件方案设计
对于直读抄表系统而言，单片机应用软件系统流程比较简单，如下图所示：
由软件设计流程可以看出，利用ＣＣ１１００的无线电唤醒（ＷＯＲ）功能，ＭＣＵ平时一直处于低功耗模式，只有在数据处理及收发时进入工作模式，从而在很大程度上降低了系统的平均功耗。
３．２．４系统方案设计
无线远传直读抄表系统构成如图四所示，系统主要由无线直读采集器（用户端）、手持机（抄表人员）、数据中心（操作终端）等组成。
数据中心是无线集抄系统的中央控制和管理中心，负责控制和管理整个抄表区域的数
否
据，可以进行日常业务处理，包括用户档案管理、数据处理、收费管理、用户信息查询与统计、报表打印、系统管理等；还可以和银行联网，实行代收（扣）费；
?手持机具有数据传递、收集等功能，是连接无线直读采集器和数据中心的桥梁。 ?无线直读采集器具有计数、控制、判断、通信等功能，并能通过软件将属于一个抄表单元的数据进行集中、中继，集采集、判断、控制、通信于一体，采用中继的方式，理论上最高可以传输２５６层。
图 四
抄表过程：收费系统通过有线的方式将要抄表的用户信息从操作终端下载到手持机，抄表人员使用手持机发抄表指令给一个单元中的某一户，然后无线直读采集器通过分组集中、中继传输的方式将垂直方向的属于同一个抄表单元的无线直读采集器的数据逐一抄送回手持机，手持机通过有线的方式，将数据上传到收费系统，收费系统依据抄录下来的数据进行收费管理。此设计方案在实际应用中还具有如下特点：
ａ．抄表方便：需要抄表时，毋须入户就可以由抄表人员通过手持机将终端用户的数据抄录到数据中心，可以单独对某户抄表，也可以对整个抄表单元进行集中抄表；
?ｂ．采用无线方式具有不用网络布线的优点，各无线直读采集器（终端用户）与手持机之间可以通过其它采集器用中继得方式联系，也可以进行单独联系，一个无线直读采集器有故障不会影响其他采集器的正常运行。该方案适合于居民小区改造（不用布线）。
ｃ．该系统有效解决燃气公司入户抄表的问题，并且还为燃气用户提供了灵活多样的购气充值方式，用户可以采用现金、电话、银行代收等多种缴费方式。
４ 后记
自动抄表技术使燃气公司及物业管理部门从根本上解决了入户抄表收费给用户和抄表人员带来的麻烦，避免了许多不必要的纠纷。准确而便捷的收费系统，不但能提高管理部门的工作效率，也适应现代用户对用气缴费的需求。直读表抄表系统作为一个有价值的研究方向是可行的，将来也一定有特定的市场份额和发展空间。
参考文献：
１ 胡大可．ＭＳＰ４３０系列ＦＬＡＳＨ型超低功耗１６位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，２００３ ２ 魏小龙．ＭＳＰ４３０系列单片机接口技术及系统设计实例．北京：北京航空航天大学出版社．２００２
３ 玄惠萍《自动抄表系统应用问题与前景分析》慧聪网 ２００５
４ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｌｏｗ Ｃｏｓｔ Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ ＲＦ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ＣＣ１１００＿Ｄａｔａ＿Ｓｈｅｅｔ＿１＿０．２００５
５ ＭＳＰ４３０ｘ１３ｘ ＭＩＸＥＤ ＳＩＧＮＡＬ ＭＩＣＲＯＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ．ＴＩ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ，２００４
作者简介：高瑞，女，1982年05月，郑州大学测控技术与仪器专业，现在郑州欧丽集团安然测控设备有限公司从事智能燃气表开发及设计工作。
E-mail：gaorui1112000@https://www.doczj.com/doc/be5848018.html,电话：0371-********，132********
冯德军，男，１９７８年０８月，中原工学院自动化专业，现在郑州欧丽集团安然测控设备有限公司从事燃气抄表及监控等的研发工作。
Ｅ－ｍａｉｌ： ｆｄｊｌｚ＠１６３．ｃｏｍ电话：０３７１－６８６２９４９７，１３６３３８２６９２４
通信地址：河南省郑州市航海西路１＃欧丽集团安然技术部
邮编：４５０００６
基于MSP430与CC1100设计开发无线远传直读自动抄表系统
作者：高瑞， 冯德军
作者单位：郑州欧丽集团安然测控设备有限公司 450006
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下载时间：2011年2月23日