張 軍

（寧夏隆基寧光儀表股份有限公司，銀川 750000）

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上電子遠(yuǎn)傳水表、IC卡預(yù)付費(fèi)水表已大量應(yīng)用，但也存在如下問題：不同廠家的卡格式、加密方式有差異；IC卡易損壞、遭受破譯，購(gòu)水要到指定營(yíng)業(yè)點(diǎn)，并且需要人工抄表；采集器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)大，難免造成“排隊(duì)”現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)結(jié)合LoRa技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用STS標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議，提高用戶與水表的數(shù)據(jù)交互性和保障用戶充值安全。

1 總體設(shè)計(jì)

基于LoRa無線通信的STS分離式預(yù)付費(fèi)水表是在低功耗的原則下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，在空閑任務(wù)時(shí)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)有外部消息觸發(fā)時(shí)從低功耗狀態(tài)下喚醒，處理相應(yīng)的任務(wù)，如計(jì)量任務(wù)、通信任務(wù)、STS解密任務(wù)等。使用LoRa無線接口可與采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過CIU設(shè)備進(jìn)行信用傳遞。

圖1 總體功能模塊框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU控制單元

基于LoRa無線通信的STS分離式預(yù)付費(fèi)水表使用電池供源，需要超低的工作耗能。本設(shè)計(jì)中采用STM8L052超低功耗微控制器，采用了全新的超低漏電工藝和優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)，睡眠模式下功耗只有3.0uA?？蓾M足無線通信、閥門控制、STS加密（解密）等功能需求。

2.2 通信單元

無線通信采用低功耗、半雙工通信、靈敏度高的SX1278芯片控制器。使用最好的LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，可配置擴(kuò)頻調(diào)制帶寬（BW）、擴(kuò)頻因子（SF）、糾錯(cuò)率（CR）。控制PIN腳RF_RX和RF_TX與水表終端MCU連接，通過MCU配置RF_RX和RF_TX的電平變化，控制模塊處于接收模式還是發(fā)送模式。水表終端MCU與SX1278采用高速SPI通信，主控MCU可以設(shè)置SX1278內(nèi)部寄存器值，也可以將發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入FIFO緩存中。

圖2 LoRa模塊原理圖

無線通信中，射頻天線的處理至關(guān)重要。天線是一種轉(zhuǎn)能器，將發(fā)射機(jī)的高頻電流轉(zhuǎn)化為空間電磁波，接收時(shí)又把從空間截獲的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送人接收機(jī)。在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，需要在天線接頭與模塊的天線引腳之間預(yù)留一個(gè)π型匹配電路。天線的阻抗是受到電路板的鋪地、外殼和安裝角度等因素。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 解碼器設(shè)計(jì)

CIU設(shè)備裝有LoRa通信模塊，用戶可將20位token利用無線傳遞到水表終端，實(shí)現(xiàn)水量充值。在從制造、保存、安裝的各階段中，每個(gè)密鑰區(qū)只會(huì)按階段保存四種密鑰DITK、DDTK、DUTK、DCTK中的一個(gè)，用于對(duì)憑證解密處理。對(duì)于20位token，水表終端MCU控制器使用一系列轉(zhuǎn)換得到64bit數(shù)據(jù)塊，然后使用解碼器密鑰和解密算法對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解密。最后根據(jù)解密的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和充值。代換過程中在數(shù)據(jù)流16個(gè)半位元（nibble）中每一個(gè)都有一個(gè)4位代換流程，所使用的代換表是兩個(gè)16位替代表之一，該代換表取決于密鑰對(duì)應(yīng)元組最高位的具體設(shè)置。

圖3 解密算法流程及代換過程

4 結(jié)束語

目前在預(yù)付費(fèi)方式上，各種技術(shù)層出不窮，如4442卡、T5557卡等，但是智能卡需要到充值點(diǎn)重新編程，用戶操作非常繁瑣。并且大多用戶更偏重互聯(lián)網(wǎng)方式獲取充值信息，避免因?yàn)榭ㄊ軗p壞無法充值或節(jié)假日無法購(gòu)水的麻煩。而且水表終端具有LoRa通信模塊，能夠進(jìn)行雙向通訊，可以實(shí)時(shí)和主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，用戶也可以使用配備的CIU設(shè)備訪問水表終端數(shù)據(jù)和進(jìn)行信用傳遞，為水務(wù)部門的管理提供極大的便利。