一种水表无线校验装置的控制算法设计

段争光，余云飞

(芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖241006)

随着科学技术的不断发展，居民住宅里出现了多种类型的智能水表，多数智能水表能够用电子装置记录、保存用水量信息，也允许这些用水量数据进行远程传输。 但智能水表价格昂贵，传统的机械水表目前仍是居民使用量最多的一类[1]。 传统水表虽然在实时读取用水量信息上有不足之处，但是不影响数据的人工读取，也没有电能消耗，因而价格便宜，仍是多数居民住宅的首选。 传统的校验装置在数据读取时，采用有线通信，由于导线的连接造成测量设备使用多有不便。 在安装、调试的过程导线也限制了校验设备的使用范围，同时，在水表校验完成后的拆装过程中容易受到水的影响，影响校验的工作效率。 本文针对机械水表出厂前的校验装置进行改进，如果水表校验设备采用无线通信方式传输数据、锂电池供电，不仅使水表可以脱离导线的控制，而且水表校验设备在安装、调试过程中更为便利，也不再具备导线对水表带来的诸多不利因素，使校验工作的效率得到提升。

本文所设计的无线通信水表校验装置可以更便捷、更快速地实现对水表校验的操作。 采用ZigBee 无线通信技术，在一套ZigBee 网络无线校验装置中，可有一个主设备和不多于254 个从设备，且可满足200 多个无线校验装置同时存在一个区域内。 节点容量完全满足水表企业对水表校验的需求。 该校验设备避免了网络布线，具有组网快速、工作能耗低、可移动范围大且数据传输可靠等诸多优点，在水表的校验过程中设备安装、调试更加灵活、快捷和便利。

1 系统结构

1.1 系统构成

水表无线校验装置的系统包含测量模块、控制模块、无线传输模块和供电模块4 部分。 其中，测量模块包括信号发射电路、信号采集电路、信号指示电路等各功能部件；控制模块包括CPU、按键和用于人机交互与控制的上位机软件；无线传输模块为ZigBee 无线通信电路；供电模块包括锂电池供电电路和充电电路功能部件。

CPU 选用CC2530 处理器，采用3.3 V 供电，内部具有Flash 存储器和集成ZigBee 通信功能。 信号发射电路用于产生200kHz 的激光脉冲。 激光头发射的激光脉冲必须对准水表齿轮的分度圆处，当齿轮转动时，激光脉冲交替地照射在齿轮的齿上和齿槽内。 信号采集电路由激光接收管构成，负责接收来自照射到水表齿轮分度圆处反射的激光脉冲。 根据光的反射定律，激光接收管的位置固定后，只能接收到齿轮齿上或齿轮槽内反射的激光脉冲，该激光脉冲经激光接收管解调后，变为电脉冲信号。 齿轮转动一周产生的电脉冲数等于齿轮的齿数，故电脉冲信息代表齿轮转动的情况，可见，该电脉冲信号可用于记录水表的用水量[2]。 信号指示电路用于指示校验装置的各种工作状态、测量和故障信息。 控制模块的输入采用按键和上位机软件，可独立控制测量功能如启动、停止、暂停等命令的操作。 ZigBee 无线通信电路负责控制命令信息和水流量数据信息的收发。 上位机控制模块除具有校验装置的通信电路和指示电路外，其传输功能是通过串口把测量数据送入上位机。

1.2 硬件电路的实现

针对水表无线校验装置的功能要求，硬件电路中用于记录水表流量数据的器件选用激光管，设备安装后把发射的激光束照射在水表转动齿轮的分度圆处，根据水表齿轮的转动可以接收到反射的代表水表流量的激光信号，经激光接收管解调为矩形电脉冲信号。 对采集到的代表水流量信息的电脉冲信号送入CC2530处理器中，CC2530 处理器经I/O 端口P2.4 以中断方式记录水流量信息的电脉冲信号。 针对记录的水流量数据根据要求经过处理后，通过无线通信的方式定时送给上位机(路由节点)。

为了脱离导线，使用电池供电、提高校验设备的工作时长，选用电能存储容量较大的锂离子电池。 要使校验设备更快速、方便地使用，还应具备充电功能，电池供电及充电电路如图1 所示。 在对电池进行充电时，外部电源从右侧输入，D1 选用肖特基二极管SS14 以实现电池与电源的隔离，同时又不影响电池单独供电。充电控制电路选择锂离子电池充电芯片TP4056，用于实现4.2 V 恒压、恒流充电，引脚2 可设置充电电流，当供电电源的电压为5 V 时，PROG 引脚电压为恒定值1 V，如果充电电流设置为300 mA，则外接电阻R2 应为4 kΩ，根据E96 系列电阻标称值，选择电阻值为3.92 kΩ。 充电指示发光二极管D3 亮时表示充电正在进行，充电完成指示发光二极管D2 亮时表示充电完成。 其中，TVS 为瞬态抑制二极管1.5KE6.8CA，用于静电保护、吸收浪涌等瞬变电压，消除电源或外部的电压干扰。 R1 为自恢复保险丝，由于无线校验装置的工作电流较低，在选用时，选择RXEF 系列的自恢复保险丝RXEF010。

图1 供电及充电电路图

2 设备的组网方式

2.1 系统整体架构和网络

水表无线校验装置的测量模块安装在水表的表盘上，当水表的齿轮转动时，测量模块应能检测到代表水流量信息的水表齿轮信息。 测量模块与控制模块、无线通信模块一起构成了终端节点对用水量信息的检测和传输。 ZigBee 无线通信的拓扑结构采用星形网络结构，测量系统的整体框架如图2 所示。 一个终端检测节点用于一个水表校验装置，它将测量的水表用水量数据定时地发送给协调器，协调器对各个水表测量的用水量数据进行记录、分析，并监测。 从而可以判断各个终端节点在校验过程中的异常状态，达到实时检测各终端节点的目的。 当监测到有异常终端节点出现时，及时作出响应，如可设置为声光警示，提醒操作人员对检测节点进行维护或调整，不用再等到整体校验完成后才发现异常问题，这样就节省了故障判断的时间，从而提高了水表校验的效率。 协调器将各个终端节点校验和检测的数据传递到上位机中保存。 上位机的作用就是对测量数据进行存储、统计，为操作人员观察校验数据，分析产品质量提高帮助。

2.2 通信算法实现

图2 测量系统整体框架

ZigBee 无线通信使用的频段为2.4 GHz，在2.4 GHz 频段内的100 MHz 里，除ZigBee 网络外，还有蓝牙、WiFi 等。 他们使用的频段之间相互重叠，如果这些信号同时存在于同一区域内，就会形成共存问题[3]。 即在共存环境中，各无线网络之间不能相互协商频率资源的使用，就会造成无线通信冲突。 虽然各通信的网络协议不同，但相互竞争有限的频谱，造成的相互干扰会导致网络传输性能的下降。 为了克服这种由于共存问题造成的影响，考虑到手机通信使用WiFi 功能较多，我们选用受WiFi 通信影响相对较小的26 号信道(频率为2.48 GHz)来尽可能地克服这种异质干扰。

由于采用星形网络结构，协调器对终端的通信采用组播方式，数据传输模式设定为每个终端在固定的时间间隔点传输数据给协调器。 可同时控制各个终端设备的启动、暂停和停止。 在终端节点启动后，终端节点会采用点播方式定时地把用水量数据传输给协调器。 虽然ZigBee 设备拥有CSMA-CA 算法[4]，但会造成同质干扰和数据拥堵。 为了克服这些问题，系统采用对数比例等分时间间隔算法，使无线通信具有快速调整发送数据的时间，以消除同质干扰问题。 具体实现方法为终端节点在数据发送周期T 的固定时间内，根据终端节点的数量，采用对数比例等分时间间隔，把周期T 分成终端节点相同数量的份额，各终端节点在周期T内以此时间份额对应的时间发送数据。 若对数比例等分时间间隔过短则递进乘10 次幂以扩大时间间隔。这样各终端节点发送给协调器的时间间隔为T 内的一个对数比例等分的数值，各终端发送数据给协调器的时间间隔均不相等和协调器接收各终端节点数据的时间与其发送时间相对应避免协调器接收数据时发生拥堵。 各终端节点也可以快速设定自身发送数据的时间避免同质干扰。 各终端节点设定的初始发送数据的时间值为：

其中，周期T 内第k 个终端的发送时间tEndk为对数比例间隔时间值，n 表示终端节点的个数。 若时间间隔过短，在周期T 内tEndk逐步乘10，以实现快速扩大时间间隔的目的，同时避免发送的数据出现同质干扰与拥堵。

水表无线校验装置有30 个ZigBee 终端节点，各终端节点以点播方式传输数据给协调器。 设置终端节点对协调器的数据传输周期为5000 ms，协调端通过组播发送启动命令给各终端，保证终端发送数据的起始时间一致。 各终端初始发送用水量数据给协调器的时间值如表1 所示，是采用对数比例等分时间间隔算法的步进数值，其中2～20 号终端与其他终端的时间值间隔过短，均为乘10 后的时间值。

表1 n = 30，T = 5s 时的终端初始发送数据时间值

3 实际测试

图3 终端节点时间平均值与设定值比较图

图4 接收数据时间误差值

根据对测量数据的参数和格式要求，水表无线校验装置的每个终端在一个周期内传输数据包的长度为18 字节，由于调频2.4 GHz 对应数据位的传输速率为250 kbit/s，18字节为144 bit，整个数据包传输时间为576 μs。 协调器与终端节点的空间距离以最大75 m 进行计算，无线通信所需要的传输时间为75 m/(3×108m/s)= 0.25 μs，可见，空间距离对数据传输时间的影响可以忽略不计。 也没必要根据终端节点距离协调器的距离由近及远按初始发送数据时间值的大小分配时间值。 可根据工程的便利，任意分配终端节点数据初始发送的时间值。 在有30 个终端节点的水表无线校验装置上，随机抽取各终端节点发送给协调器的数据，记录100 次协调器接收数据的时间值进行分析，发现数据的丢包率极低，可见数据的拥堵和无线通信的同质干扰也有很大改善。 图3 是以协调器接收到1 号终端发送的数据的时间值作为时间基准，计算接收的各终端节点100 次的时间间隔，然后计算时间间隔平均值与终端节点初始设定的时间值，对比得到的数据。 从图3 中可以看出两者的数据曲线基本一致。 图4 为两者时间值之差，是终端节点初始设定时间减去接收时间间隔平均值的误差，最大误差不超90 ms。 可见，在终端节点以对数比例等分时间的方式发送出数据后，协调器接收到的数据中虽有少数节点接收误差大，但无丢包情况出现，因此，可知对数比例等分时间间隔算法的加入对ZigBee 无线通信来说，不失为一种避免数据拥堵和干扰的有效算法。

4 结语

水表无线校验装置在采用ZigBee 无线通信后，消除了原有装置中导线给设备拆装带来的诸多不便，增强了设备拆装的灵活性，使校验装置更加便携。 采用星形拓扑结构网络，协调器对终端节点使用组播方式控制终端设备，实现终端设备启动、暂停和停止的同步。 终端节点使用点播方式定时把数据传输给协调器，终端节点在数据采集后，通过对数比例等分时间间隔算法发出数据实现了快速地避免无线通信中的同质干扰和数据拥堵问题。