論智能自來水抄表系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)方法

劉清波

（深圳市興源鼎新科技有限公司，廣東 深圳 5180000）

我國傳統(tǒng)的自來水計(jì)量收費(fèi)管理，大多采用管理單位的抄表員登門入戶進(jìn)行人工抄表收費(fèi)的方式。這種收費(fèi)方式存在著許多弊端。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化產(chǎn)品越來越多的出現(xiàn)在人們眼前。因此，智能自來水抄表系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)抄表方式相比，智能自來水抄表系統(tǒng)具有方便快捷、節(jié)省人力物力、提高工作效率、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。但是由于這些產(chǎn)品在節(jié)能降損方面仍存在不足，在供水行業(yè)沒有能夠廣泛地推廣使用。本文主要介紹了智能自來水抄表系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。

1 智能自來水抄表系統(tǒng)的組成及節(jié)能分析

1.1 智能自來水抄表系統(tǒng)的組成

一般我們所指的智能自來水抄表系統(tǒng)是由智能水表、水表采集終端、掌上機(jī)、遠(yuǎn)程抄表終端、PC機(jī)等部分組成。

1.2 智能自來水抄表系統(tǒng)的節(jié)能分析

智能化固然重要，可節(jié)能化也不容忽視。智能自來水抄表系統(tǒng)的節(jié)能問題關(guān)系到系統(tǒng)能否長期使用的關(guān)鍵。水表采集終端是智能自來水抄表系統(tǒng)的核心所在。但是由于水表采集終端一般采用電池作為電源，因此，水表采集終端的節(jié)能設(shè)計(jì)在智能自來水抄表系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)中顯得極為重要；而智能水表、遠(yuǎn)程抄表終端、PC機(jī)、掌上機(jī)的功耗主要取決于所選用的設(shè)備，只需在選型中注意即可。從以上分析可以看出，水表采集終端的節(jié)能性能是決定系統(tǒng)能否長期使用的關(guān)鍵，因而智能自來水抄表系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在水表采集終端上。水表采集終端是一個(gè)典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，在進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，既要盡量降低系統(tǒng)在無謂等待時(shí)間的無效功耗，又要降低系統(tǒng)在有效運(yùn)行時(shí)的有效功耗。

2 智能自來水抄表系統(tǒng)硬件的節(jié)能設(shè)計(jì)

水表采集終端由單片機(jī)、無線數(shù)傳通信收發(fā)模塊、LCD顯示電路、時(shí)鐘電路、RS-485、RS-232通信電路和電源電路等幾部分構(gòu)成。水表采集終端原理框圖如圖1所示。

圖1 水表采集終端原理框圖

對于水表采集終端，在系統(tǒng)本質(zhì)節(jié)能、系統(tǒng)功耗管理和系統(tǒng)供電管理等三方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而保證了系統(tǒng)在有效運(yùn)行下及動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)做到功耗最??；在時(shí)、空無謂等待及電路靜態(tài)下做到微功耗和無異常功耗。

2.1 系統(tǒng)的本質(zhì)節(jié)能設(shè)計(jì)

作為智能自來水抄表系統(tǒng)的核心，單片機(jī)的選擇對一個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣有著重大影響。本采集終端的單片機(jī)采用的是HITACHI(日立)公司的H8/300L產(chǎn)品系列中的H8/3834單片機(jī)。這是一款以H8/300CPU為核心，集成了若干重要的系統(tǒng)支持功能部件，采用高速CMOS工藝制成的高檔微控制器。它具有高速、節(jié)能、大容量的特點(diǎn)，其豐富的I/O引腳資源、集成于片內(nèi)的液晶驅(qū)動(dòng)器和專為節(jié)能設(shè)計(jì)的5種節(jié)電運(yùn)行模式，非常適合于要求節(jié)能的多路采集系統(tǒng)。其內(nèi)部的液晶驅(qū)動(dòng)模塊耗電極省，僅為幾個(gè)微安，而同類液晶驅(qū)動(dòng)芯片如常見的PCF8576在相同條件下的耗電量是180μA，這為液晶顯示模塊的節(jié)能性能奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)的功耗管理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功耗管理是指系統(tǒng)在供電狀況下，實(shí)現(xiàn)最小功耗運(yùn)行的方法。功耗管理的基礎(chǔ)是CMOS電路的靜動(dòng)態(tài)特性以及系統(tǒng)和器件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的有效運(yùn)行具有時(shí)、空占空比現(xiàn)象。通過對H8/3834進(jìn)行節(jié)能的運(yùn)行管理，使處于無謂等待狀態(tài)的電路最大限度靜態(tài)化，從而極大地降低系統(tǒng)運(yùn)行的平均功耗。

H8/3834(標(biāo)準(zhǔn)型)是具有雙晶振和2.5～5.5V寬電壓供電的單片機(jī)芯片。主振頻率為1～10MHz(5MHz以上的電壓范圍為4.0～5.5V)，使用主振時(shí)單片機(jī)工作在 (high-speed)Active或(medium speed)Active模式。副振頻率為32.768kHz，使用副振時(shí)，單片機(jī)具有5種不同的工作模式，分別是 Subactive、Sleep、Subsleep、Watch和Standy模式。各工作模式的特性為：

(1)Active模式(highspeed)：在高頻系統(tǒng)時(shí)鐘下，高速運(yùn)行；

(2)Active模式(medium-speed)：在高頻系統(tǒng)時(shí)鐘下，中速運(yùn)行；

(3)Subactive模式：在32.768kHz時(shí)鐘源的低頻系統(tǒng)時(shí)鐘下，低速運(yùn)行；

(4)Sleep模式：CPU停止運(yùn)行，片內(nèi)支持模塊在系統(tǒng)時(shí)鐘下工作；

(5)Subsleep模式：CPU停止運(yùn)行，定時(shí)器A、C、G和LCD模塊在副振下工作；

(6)Watch模式：CPU停止運(yùn)行，定時(shí)器A和LCD模塊在副振下工作；

(7)Standy模式：CPU和一切片內(nèi)支持模塊停止運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)和供電管理設(shè)計(jì)

水表采集終端設(shè)計(jì)為雙電源供電系統(tǒng)，平時(shí)使用3.6V的電池供電。因?yàn)橄到y(tǒng)功耗正比于供電電壓的平方，故采用低電壓供電可以有效降節(jié)能。考慮到外界有條件提供電源的情況，本系統(tǒng)電路也提供了外接5V供電的接口，主要在通信時(shí)提供電源。當(dāng)外加5V電源時(shí)，電池不工作，各部分電路統(tǒng)一供電；而當(dāng)電池供電時(shí)，通信電路不工作。為了隨時(shí)檢測電源狀況，設(shè)計(jì)了電壓檢測信號(hào)，使單片機(jī)能根據(jù)電壓情況，快速準(zhǔn)確切換工作模式，達(dá)到降節(jié)能的效果。

系統(tǒng)的供電管理指的是在系統(tǒng)中，對處于無謂等待的電路器件及電路采取關(guān)斷電源來減少系統(tǒng)功耗的辦法。日歷時(shí)鐘的性質(zhì)決定了時(shí)鐘芯片8583的電源不能間斷；E2PROM雖然是可以斷電的，但考慮其靜態(tài)功耗很小，而且將數(shù)據(jù)寫入E2PROM時(shí)又不可斷電，所以兩者的供電和單片機(jī)一樣，都采用了不間斷電源。當(dāng)不對上述兩芯片進(jìn)行讀寫操作時(shí)，它們的靜態(tài)電流分別為6.0μA和1.6μA，完全可達(dá)到節(jié)能要求。

通信部分的電路，無論是MAX485還是MAX232芯片，功耗都較大。以MAX485為例，工作電流1.0mA，靜止電流300.0μA。這對于一個(gè)電池供電的系統(tǒng)來說幾乎是不可承受的，解決的方案是通信部分電路采用外供電方式。在掌上機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)抄錄時(shí)，由掌上機(jī)提供電源，或者在計(jì)算機(jī)抄表時(shí)，通過采集終端網(wǎng)統(tǒng)一供電。這樣就實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功耗由外加電源承擔(dān)，只有極低的靜態(tài)功耗由電池供電，從而保證了系統(tǒng)的節(jié)能。

3 智能自來水抄表系統(tǒng)軟件的節(jié)能設(shè)計(jì)

一個(gè)節(jié)能系統(tǒng)，僅僅依靠硬件設(shè)計(jì)技術(shù)還不夠，必須有相應(yīng)軟件措施配合才能達(dá)到最佳效果。對于智能自來水抄表系統(tǒng)，需要考慮以下幾個(gè)方面：充分利用單片機(jī)各個(gè)工作模式的特點(diǎn)，進(jìn)行合理切換；對各外圍模塊的供電進(jìn)行管理；因?yàn)橄到y(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗正比于CPU的工作時(shí)間，所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法縮短CPU的運(yùn)行時(shí)間。相應(yīng)的措施是：

(1)由于系統(tǒng)對信號(hào)的采樣、水量折算是定時(shí)進(jìn)行的，每次執(zhí)行之間間隔時(shí)間很長，又因?yàn)檫@些操作任務(wù)可由高速運(yùn)行的單片機(jī)瞬間完成，從而形成了單片機(jī)在有效運(yùn)行后，長期處于無謂等待狀態(tài)。針對抄表系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，可在采樣、計(jì)算完成后轉(zhuǎn)入Watch模式，由定時(shí)器A或按鍵定時(shí)喚醒，從而極大降低系統(tǒng)無謂等待時(shí)的功耗，做到系統(tǒng)在有效運(yùn)行及電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)才消耗功耗，成為一個(gè)零功耗系統(tǒng)。

(2)應(yīng)注意對電源的監(jiān)視和控制，根據(jù)電源狀況迅速切換工作模式。同時(shí)根據(jù)功能需要，接通相應(yīng)模塊的電源。

(3)充分利用片內(nèi)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)按鍵、顯示程序所需的延時(shí)，避免使用軟件指令循環(huán)延時(shí)。

(4)需要CPU踏步等待一段時(shí)間或循環(huán)檢查條件滿足后才去執(zhí)行的程序盡可能納入到各種中斷的中斷服務(wù)程序。

(5)采用自動(dòng)“掉電”方式。利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘，顯示一定時(shí)間后若無按鍵操作，自動(dòng)轉(zhuǎn)入Watch模式。

結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，水表這些儀表的抄錄工作量變得很大，傳統(tǒng)的人工抄表又存在許多弊端，已很難滿足社會(huì)發(fā)展的要求。智能自來水抄表系統(tǒng)的出現(xiàn)很好的解決了這些問題，如能不斷優(yōu)化其節(jié)能消耗的技術(shù)問題，將會(huì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化抄表的廣泛應(yīng)用。

[1]陳愛萍，陳友林.智能五表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002,04

[2]劉志中 ,孫麗芳,董慶.住宅小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2002,04