基于STM32的无线抄表方案.docx
《基于STM32的无线抄表方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于STM32的无线抄表方案.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于STM32的无线抄表方案
基于STM32的无线抄表方案
先说说频道的划分问题总频带：
470MHz~509MHz调制方式：
划分为6个频段，一个公共频段，调频幅度500KHz公共频段：
470MHz~472.5MHz1号频段：
473MHz~478.5MHz2号频段：
479MHz~484.5MHz3号频段：
485MHz~490.5MHz4号频段：
491MHz~496.5MHz5号频段：
497MHz~502.5MHz6号频段：
503MHz~508.5MHz
自动集抄系统通常由集中器、采集终端、主站数据库以及通信信道装置组成。
对通信信道而言，又分为上行信道（主站和集中器之间）和下行信道（集中器和采集终端或电子电表之间）。
由于现场环境复杂，通信媒介质量低，成本高等一系列难题，直至不久以前，下行信道尚无真正可行的解决方案。
目前市场上可获取的方案包括：
有线RS485或MBUS、电力线载波（PLC）、无线点对点（手持无线PDA或无线抄表车）和ZigBee等。
有线RS485或MBUS作为一种专用有线通信信道，其通信可靠。
但要作为一种通用方案，类似新建一个有线网，从工程施工的角度来看，存在许多困难。
无线手持PDA走抄和无线抄表车，因为没有根本解决实时和效率的问题，也很难成为主要的解决方案。
低压电力载波通讯（PLC）利用现有的低压供电网，无需铺设新线，成为目前最为流行的抄表技术，正在全国各地大量试运行。
然而由于PLC在低压电网上存在高衰减（有高达130db的记录）、低阻抗、谐波干扰和污染严重的问题，已经不可预见和控制的低压电网拓扑结构，很大程度上影响其通讯的可靠性和抄收成功率，因此，低压电力载波通讯能基本满足抄表的需要，但需要实现现场的实时监控、远程控制、远程预付费等功能实在勉强。
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网，采用该技术和GPRS/CDMA技术结合，可以为电表的无线抄表提供很好的解决方案。
国家无线电管理委员会于2005年10月1日颁布实施的《微功率（短距离）无线电设备的技术要求<信部无[2005]423号>》，规定470-510MHz可作为民用无线电计量仪表使用频段。
从法律上保证了无线自动抄表的频率资源，使得所有符合此标准的无线自动抄表产品在具备自适应能力的基础上，安全工作于指定的无线频段。
无线集成电路的不断发展，在技术上为低成本、高集成度无线使用系统的研制提供了条件。
短距无线自组织网技术的突破性进展，改变了无线抄表仅限于点对点或点对多点的局限，使得网络化、智能化、低功耗、低成本、高可靠、实时性强的集中抄表成为现实。
短距无线自组网技术是在研究了世界范围众多前沿无线Ad-Hoc组网理论和系统，包括Zigbee等技术的基础上，针对网络化集中抄表复杂的使用环境，使用国家无委会为自动抄表开放的470～510MHz专用频段，创造性地发展出来的最新中短距离通讯技术。
它具有技术起点高，环境适应性强、成本优化、稳定可靠、响应快、高度智能化、易于安装等特点，而且能很好解决低压集抄系统下行信道难题，是目前国内较为先进、实用可靠的集中抄表解决方案
来自网上的《无线抄表系统的设计方法及可靠性策略》长期以来，三表数据抄送问题都是相关供应部门非常想解决但又得不到切实解决的问题。
在行业信息化过程之中，户表数据的自动化抄送具有非常重大的意义，因为户表数据是相关行业销售过程中最原始的数据，这个数据的准确度和及时性直接影响了行业内部其它信息化水平。
传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据。
一般手工抄表都按月抄表，对于用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行更深层次的分析和管理决策却不够。
图1：
无线抄表的一个节点原理框图。
无线抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即数据可靠性要求很高。
由于用电池供电，因此对功耗要求也很苛刻。
无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用数据通讯协议传输数据。
基于以上原因，贝能科技开发出了BN-CB-100自动无线远传抄表系统，该系统具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等远程抄表系统的优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。
无线数字抄表系统由中央处理器、电源模块、通讯模块以及显示模块等部分组成，如图1所示。
下面将对组成系统的主要模块进行说明。
单片机：
数据处理单元数据处理单元的单片机主要侧重于多项功能的开发，选择时主要从功能、抗干扰、功耗、速度等几个方面考虑。
本系统采用Microchip单片机PIC18LF6490作为数据处理单元，该单片机具有以下特点：
具有集成的LCD控制器驱动模块、高性能RISCCPU、优化的C编译器结构/指令系统、高达10MIPS的工作速度、中断优先级、单周期硬件乘法器、高吸入/拉出电流、3个外部中断引脚、4个定时器、CCP模块、主同步串行端口模块、10位A/D转换器和低功耗等性能特点，因而软硬件设计十分方便。
继续方案讨论
1、液晶显示显示采用LCD液晶显示器，PIC18LF6490具有集成的LCD控制器驱动模块，从而节省了外挂的液晶驱动芯片，减少了外部引线，节省了空间和成本，提高了可靠性，在睡眠状态下可继续显示，明显地降低了功耗。
液晶显示器用于显示系统当前的状态、内部参数及当前的统计数据等。
RF模块1.RF模块的特点本方案采用纳川容科技研制的RF模块产品，该模块采用高性能CPU和高性能无线数传模组内核整合而成，其主要特点包括：
标准异步串行接口（UART：
1个起始位、8个数据位、1个以上停止位、0或1个校验位），方便和各种控制器的硬件串口连接，使用起来非常方便；数据直接传输，自动静噪，过滤掉空中假数据，所收即所发；半双工通信，收发自动切换，使用上非常方便；模块内置高性能MCU实现前向纠错处理，通信可靠性大大提高，误码率非常低；可以硬件跳线选择多个独立互不干扰信道，有多档波特率及串口模式设置；可以串口软件设置无线频道，实现软件跳频；3.3V/5V兼容TTL、RS232、RS485多种接口电平选择，使用更加灵活；DC3.0－8.0V宽工作电压，电源可以I/O控制关断，降低功耗。
由于采用软件纠错编码增益，相同辐射功率条件和同一误码率指标下，带前向纠错处理的RF模块通信距离要远高于一般的无线数传模组或不带前向纠错处理的RF模块。
2．RF模块的通信处理流程RF模块的通信处理流程如图2所示，其中：
发送缓冲和接收缓冲是为了匹配用户接口和无线接口速率而设计，采用FIFO方式，支持大批量连续数据传输，安全可靠；纠错编解码采用成熟的卷积码纠错技术，可以将误码率由10-3减小到10-6，并且有3dB左右软件编码增益，进一步提高了传输的可靠性；交织的目的是为了将连续的错误离散成不连续的单比特错误，提高抗连续干扰的能力，但带来了传输延时。
RF模块采用256比特，即16×16交织，可以抵抗一般人员走动、汽车通过等环境下对无线传输造成的误码干扰，由此引起的传输延迟在用户接口速率为9,600bps时约20ms，使用时应予以注意；信号编解码的目的是将信号辐射功率谱集中，并有利于接收机信号解码；卷积码前向纠错处理的方式比ARQ差错控制方式效率要高，尤其是在随机干扰比较大的情况下，由于其良好的纠错性能，效率要远高于ARQ模式。
例如，ARQ方式下，传输一个256比特的数据包，如果其中一个比特错误就需要重传，而采用卷积码前向纠错处理的方式，16×16交织的RF模块，即使其中连续16比特传输错误，接收方也可以通过软件纠正过来，用户不会收到误码，这样效率更高。
3．RF模块的天线使用焊盘引线来连接天线的模组，一般建议使用微型的PCB天线或直导线来做天线，直接将天线引出线焊接在模组的天线焊盘上，天线引出线的长度越短越好。
天线地根据天线的要求可接可不接，但PCB天线一般要求接地。
使用直导线做天线时，请使用5N（99.999%）以上优质硬直铜导线，线径越粗越好，一般使用普通的单根百兆以太网网线做天线即可取得比较好的效果。
使用直导线做天线时，天线长度=7,150/工作频率，单位为厘米。
所计算出的天线长度是天线直立的长度，如果天线放在壳体里或盘绕起来，天线所需长度将变化，推荐的做法是用计算长度1.5倍长度导线做天线，然后剪断5mm（这是个经验值，可以根据实际测试通信距离来确定这个值），缩短天线长度，实际测试通信距离来确定最佳天线长度。
如果天线需要在设备壳体上穿孔引出时，请使用50Ω低损同轴电缆或标准SMA接头延长线将天线延长引出，同轴电缆芯线和模组天线焊盘焊接，屏蔽层和天线地（没有天线地时用电源地）焊接，选择弯曲半径小的电缆将有利于电缆的弯曲布置，使焊盘不易撕裂。
图2：
RF模块的通信处理流程亦可用直角头SMA接头将RF模块的SMA引出头折弯，直接安装在壳体上或穿出，但直角头SMA将额外引入1-2dB的插入损耗。
使用拉杆天线时，直接将拉杆天线焊接在天线焊盘上或用低损同轴电缆来连接，电缆的芯线连接模组的天线焊盘和拉杆天线，屏蔽层一端焊接在天线地上，靠近拉杆天线一端浮空。
4．RF模块的注意事项不要带电热拔插RF模块，否则很容易损坏RF模块；组网协议设计中，务必保证在一个频点上，且同一时刻只能有一个RF模块处在发射状态，建议设计时通信协议设计采用ARQ主从查询应答方式；使用低纹波的线性稳压电源或电池供电，尽量不要使用开关电源，如果一定要用，请用高Q值的LC回路滤波，将纹波降到最低；关于距离指标，不同的测试环境会产生不同的结果，主要影响因素包括：
发射功率、接收灵敏度、传输速率、干扰强度、背景噪声、天线增益、天线离地高度、是否移动、空间衰减、障碍物尺寸及位置等；10mW带卷积码前向纠错处理方式的RF模块，在9,600bps速率、天线高度2米、增益2.0dBi、可视城区开阔地、传输文件、误码率为10-3情况下，可靠通信距离可以达到300-400米左右。
可靠性策略本系统需要长期在线连续运行，故对其可靠性和长期稳定性有较高的要求，在设计时予重点考虑。
本系统采用集成芯片作为电路的核心部分大大减少了外扩电路的接线和使用的元器件的数目，使整机趋于微型化，也提高了整机的可靠性。
设计电路板时注意线的走向以及整机的紧凑性，在电路和工艺设计上采用各种成熟的实用抗干扰措施，例如合理布局、正确选择接地点、弱信号传输线屏蔽层单端接地、单元电路的封闭式屏蔽环等，以降低干扰水平。
重要数据进行多次备份，实时刷新处理，使用存储容量大的EEPROM来备份RAM数据。
避免由于干扰造成的数据出错，EEPROM的数据可以保持10年以上，数据保持不需后备电源。
软件写入EEPROM采取必要的校验方式，保证数据的安全性。
PIC18LF6490具有极强的抗电磁干扰能力，使数据的安全性得到进一步的提高。
由于本系统用电池供电，对功耗要求较高，在整个系统的软硬件设计时应引起足够的重视，例如元器件的选型，元器件的供电方式是用I/O供电还是直接用电源供电，单片机的选型等都是功耗能否降低的重要因素，当然软件设计也是决定功耗能否降低的重要因素，此部分在软件设计部分论述。
软件设计软件部分设计包括了主控程序、数据通讯程序、时钟程序、自检程序等，由于本系统对功耗要求较高，软件设计过程应始终贯穿考虑功耗因素，功耗能否降低，软件设计是重要因素之一。
具体做法可以是主程序主要处在睡眠状态，隔一段时间醒过来处理一下任务，一直如此循环，没使用的模块关掉，没使用的I/O口设置成高阻态等。
这样一来，软硬结合便可让整个系统功耗降下来。
重要的寄存器和I/O口都必须放在主程序里去刷新，使用看门狗（PIC18LF6490有内置看门狗电路），软件编写应有一定的容错措施，自检程序应能及时检出错误并纠错等，这样可以进一步提高系统的可靠性，避免寄存器数据乱了、程序跑飞等事先无法预计的现象。
本文小结本文对一种无线抄表的设计方法和可靠性策略进行了论述，系统中采用了功能强大且性价比极高的单片机、高性能RF模块、数据通信等技术，具有长时间存储数据和远方无线传输数据等功能。
考虑产品化的要求，进行了可靠性、抗干扰、低功耗等方面的设计。
相关知识
ADF7020是一款只需很少外部元件、并具有高度灵活性的高集成度收发器，可让设计人员针对特定使用配置元件。
例如，设计人员可在FSK/GFSK/ASK/OOK等几种不同的调制方案之间选择，也可以对灵敏度和选择性进行折衷，这对于线性度要求严格的系统是很有用的。
ADF7020的最大数据速率为200kbps，而其同类产品ADF7025的最大数据速率可增加到384kbps。
和大多数最新的ISM频段收发器类似，ADF7020采用一个分数锁相环（PLL）频率合成器，允许选择868MHz和928MHz之间以及433MHz频段上的任何信道，分辨率小于1kHz。
这种跳频特性使得ADF7020可用于符合美国FCCPt.15标准的跳频系统。
高分辨率的分数N频率合成器也是新型自动频率控制（AFC）环路的重要组成部分，它可以补偿输入的频率误差，从而允许使用公差等级更低、价格更便宜的晶体振荡器。
在过去几年里，射频技术取得了突飞猛进的进步，并由此产生了许多新的无线使用。
其中大多数使用（例如蓝牙、WLAN802.11b/g以及无绳电话等）都使用2.4GHz的未授权UHF频段。
由于2.4GHz频段越来越拥挤以及由此产生的共存问题，最近业界对较低的UHFISM频段重新提起了兴趣。
这些可用频段在欧洲为868MHZ和433MHz，在美国为902MHZ到928MHz。
采用低UHF频段的主要缺点是，该频段缺少通用全球标准，这点和2.4GHz频段不同。
这意味着生产厂商将不得不根据各个地区的规定调整其系统。
不过，几年前问世的灵活的ISM频段收发器（例如ADF7020）可工作在433MHz到960MHz，已大大减轻了这一负担。
2008/7/2312:
02:
56
ADF7020无线收发模块原理图片:
ADF7020无线收发芯片的数据手册:
点击此处下载ADF7020无线收发芯片的数据手册.pdf （文件大小:
782K）
技术优势基于自组网的无线网状网络（WirelessMeshNetwork）的短距无线通讯网络，具有高可靠性，高数据安全性、实时性强、抗干扰能力强等特点，可实现高速、非视距的数据传输，并有效降低传输功率，提高信道利用率。
快速可靠的信道支持解决了长期困扰的下行信道不可靠带来的抄收难题，它具有如下技术优势：
?
网络自组：
短距无线自主网络采用自主开发的基于网状网络构架的自组网网络协议，组网过程自动完成，现场无需人工设置参数，大大减少了组网的工作量和费用。
?
冗余的数据传递路径：
由于无线网状网络采用多点到多点的拓扑结构，每一节点均可作为其他邻近节点的路由，大大提高了数据传递路径。
同时，还能自动修复那些处于突发环境干扰中的网络路径。
?
混合组网：
考虑了未来多个短距无线自组网络系统的级联，采用混合网络结构以减少集中器上行信道GPRS的运行费用。
?
双向通讯：
采用分布式控制和全双工通讯模式，实现了终端和各节点间的双向通讯，系统具有节点向终端主动上报的功能，保证系统实时性，避免因轮询而产生的通讯资源浪费，使自动监控和远动等功能成为现实。
?
良好的鲁棒性（robustness）和高的一次抄读成功率：
所有的硬件及软件的设计考量，都是针对工业现场环境，系统内所有电能表，经短距无线信道的一次抄读成功率优于99.5%。
?
抗干扰能力强：
多至200个200kHz带宽信道可供跳频选择，采用高度频率自适应机制，减少了相邻台区的无线信号串扰和空中其他无线干扰源对数据通讯的影响。
?
良好的数据安全性：
短距无线自组网络系统空中的无线数据，采用特有的数据加密和签证技术，及高度频率自适应机制，具有高度的保密性。
?
快速的系统响应：
空中数据速率19.2Kbps，在一个典型的小区台变下采用短距无线自组网技术的集抄系统，单次单表抄读响应时间典型值为5秒左右或以内。
?
极低的数据差错率：
任一单次通信过程，以及端到端全程数据通信，采用二级32位CRC校验，使得总的残余差错率趋向于零。
?
弹性的系统容量：
一个短距系统支持的电能表数量从很少直至上千只（例如1016只）。
?
功耗低：
无线最大发送功率50毫瓦，符合电力营销管理“节能降耗”的需求。
?
无线方案极大降低了安装施工的工作量，降低了安装费用。
和现有集抄系统下行通信技术的比较由于下行信道面临用户数量大，现场环境复杂（有些甚至相当恶劣），通信媒介质量低，成本压力大等一系列难题，直至不久以前，下行信道尚无真正可行的解决方案，成为阻碍电力自动化发展的瓶颈。
目前常见的下行信道方案有：
有线RS485/MBUS无线点对点（手持无线PDA或无线抄表车）压电力线载波（PLC）ZigBee有线RS485或MBUS作为一种专用有线通信信道，其通信可靠，但要面对数量庞大的居民用户和中小动力用户，要求将所有表计用导线连接起来，这类似新建一个全范围有线网，从工程施工和维护的角度来看，是比较困难的。
现场掌机抄读、无线走抄车抄读只是解决了抄表问题，其现场监控、收费难等问题还是不能解决。
而且无线走抄车抄表还存在信号死角、抄表成功率等问题，不能完全满足电力营销管理现代化和“节能降耗”的需求,因此很难成为主要的解决方案。
低压电力线载波通信（PLC）技术利用现有的低压供电网，无需铺设新线，是目前自动抄表系统的主要选择。
但低压电力线载波技术具有不能克服的缺点：
?
抄收成功率低。
PLC在低压电网上面所面临的主要问题有：
高衰减（有高达130dB的记录）、低阻抗、谐波干扰和污染严重（尤其是大量的变频负载）、几乎不可预测的拓扑结构等等，使得PLC技术在国内的使用步履维艰。
即使采用有序扩频、跳频、多载波调制、正交调制、链码自适应调制、纠错、跳时、拓扑自适应中继等技术措施，PLC仍然无法提供实时可靠的抄收?
相邻台区间的载波信号串扰，是影响低压电力线载波运行的巨大障碍。
必须采用不同的抄表时段来解决相邻台区间抄表时相互干扰的问题，这就决定了低压电力线载波无法进行实时数据采集和监测。
?
未来低压电网特性的不可预见及不可控，是PLC难以逾越的另一个障碍。
目前，尚无完备的国家规范来约束低压电网的干扰源，而且干扰侦测困难。
即使PLC系统在初期验收时能够正常工作，但并不能保证未来电网有新的用电设备加入后，PLC产品仍能成功抄收。
在现场调试方面应该增加手抄器和现场的485调试接口，这样可以保证集中器和采集器，以及电表直接的通信是正常的！
在软件升级方面：
由于产品的升级必须要考虑比较好的方法！
由于本身是无线系统！
所以软件方面的升级可以考虑使用其本身的无线数据传输功能，做一个升级模块！
在所要升级的小区内走动，级可以将采集器升级！
初步是怎么想的！
RF相关知识学习
wangxing2008/7/24
ADF7020-1是一款只需很少外部元件、并具有高度灵活性的高集成度收发器，可让设计人员针对特定使用配置元件。
例如，设计人员可在FSK/GFSK/ASK/OOK等几种不同的调制方案之间选择，也可以对灵敏度和选择性进行折衷，这对于线性度要求严格的系统是很有用的。
ADF7020的最大数据速率为200kbps，而其同类产品ADF7025的最大数据速率可增加到384kbps。
ADF7020芯片集成了完整的无线收发电路。
在接收模式下，相当于一个传统的超外差接收器，RF（射频）输入信号通过从RFIN管脚引出的天线，经LNA（低噪声放大器）放大后翻转进入混频器，通过混频器混频产生IF（中频）信号。
在IF处理阶段，该信号在送入解调器前被放大和滤波。
解调后从引脚DATAI／O输出解调数字信号，解调信号的同步由芯片提供的时钟信号完成。
具备无线通讯的三相多功能电能表设计方案关键字：
超表无线自动化随着经济体制改革的深入，在市场的推动下，数字电能表发展迅猛，中国目前已成为世界电能计量行业最具有活力的市场。
随着用户用电负荷的增加，供电质量的要求也越来越高，供电部门需要了解电网质量和用户的各种用电参数，如功率、电压、电流、频率等，这样三相电能表的使用范围得到了扩大。
电能计量、电费核算及收缴的及时性和准确性已成为用电企业的重要课题。
目前，电能表的抄表接口主要是485接口和红外接口，这两种方式逐渐不能满足实际的需要，为此我们提出了新的抄表方案—无线抄表。
无线抄表的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的水平。
电能计量芯片ADE7758精度为0.5级和0.5S级的三相多功能电能表可以采用ADI公司的ADE7758。
ADE7758具有以下的功能和特性：
内部集成了6路独立的16位Δ-ΣA/D转换器、高性能DSP、电压基准及温度传感器等电路，在1000:
1动态范围内误差小于0.1%；提供有功、无功及视在电能、电压、电流有效值及波形采样等数据；三相三线/三相四线兼容；功率、相位及输入失调可实现数字校准；在环境条件变化很大和长时间使用条件下，采用专利技术的ADC及DSP仍能保证高精度；DSP内部对无功电能进行了补偿；提供独立的有功电能及无功电能脉冲输出。
这些功能特点大大减少了MCU的软件开发工作量。
基于ADE7758的电能表功能框图见图1。
三相电能计量设计方法三相电能表根据使用条件分为互感器式、直入式。
对于大电流用户，采用外接一次互感器，按标准其电流输出为5A。
三相电能表最常见的为互感器式，其互感器电流规格为1.5/6A。
1.三相电能计量的设计条件a.电压规格220V/380V；b.电流规格为1.5/6A，即基本电表为1.5A、最大电流6A。
无线RF通讯模块对无线RF收发功能，我们采用ADI公司的RF收发芯片ADF7020来实现。
ADF7020有一系列产品，该方案中我们选用一款工作在431MHz至478MHz和862MHz至956MHz双频段收发一体芯片，满足北美FCC和欧洲ETSI-300-200标准。
该芯片具有以下的功能特性：
2.3V到3.6V的宽工作电压范围，适合不同电池供电；待机电流仅1μA；从-16dBm到+13dBm的可编程输出功率，调节步长0.3dBm；内置自动频率控制补偿回路，可以在862MHz至956MHz频段对晶体补偿±25ppm，对431MHz至478MHz频段对晶体补偿50±50ppm；接收时电流为19mA，发送时电流为22mA；拥有数字无线信号接收幅度指示（RSSI）输出。
设计时采用9,600bps的速率，2FSK调制，接收灵敏度为-106dBm，输出功率为12dBm，其通讯距离可超过500米。
1GHz以下全球免执照频带短距离无线系统设计要点导入Bluetooth、WLAN、ZigBee等短距离无线技术之装置（SRD）日益增加，本文将锁定使用全球不需执照授权的1GHz以下频带进行详细介绍，并分析跳频展频（FHSS）、直接展频（DSSS）等不同宽带调变技术，以及各国相关现行做法，提供1GHz以下频带无线系统设计者最佳开发导览。
SRD无线系统设计需考虑频率选择短距离装置（SRD）此一名称所涵盖的，是能够提供单向或双向通讯，且几乎不会对其他无线电设备造成干扰的各类无线电发射器。
升级会员 