基于LoRa無線的STS分離式預付費水表的設計

張 軍

（寧夏隆基寧光儀表股份有限公司，銀川 750000）

國內市場上電子遠傳水表、IC卡預付費水表已大量應用，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，購水要到指定營業點，并且需要人工抄表；采集器數據傳輸系統大，難免造成“排隊”現象。本設計結合LoRa技術的優勢，應用STS標準傳輸協議，提高用戶與水表的數據交互性和保障用戶充值安全。

1 總體設計

基于LoRa無線通信的STS分離式預付費水表是在低功耗的原則下設計實現的，在空閑任務時處于睡眠狀態，當有外部消息觸發時從低功耗狀態下喚醒，處理相應的任務，如計量任務、通信任務、STS解密任務等。使用LoRa無線接口可與采集器進行數據交互，通過CIU設備進行信用傳遞。

圖1 總體功能模塊框圖

2 硬件設計

2.1 MCU控制單元

基于LoRa無線通信的STS分離式預付費水表使用電池供源，需要超低的工作耗能。本設計中采用STM8L052超低功耗微控制器，采用了全新的超低漏電工藝和優化的體系結構，睡眠模式下功耗只有3.0uA。可滿足無線通信、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擴頻調制技術，可配置擴頻調制帶寬（BW）、擴頻因子（SF）、糾錯率（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送模式。水表終端MCU與SX1278采用高速SPI通信，主控MCU可以設置SX1278內部寄存器值，也可以將發送的數據寫入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重要。天線是一種轉能器，將發射機的高頻電流轉化為空間電磁波，接收時又把從空間截獲的電磁波轉換為高頻電流送人接收機。在原理圖設計時，需要在天線接頭與模塊的天線引腳之間預留一個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 軟件設計

3.1 解碼器設計

CIU設備裝有LoRa通信模塊，用戶可將20位token利用無線傳遞到水表終端，實現水量充值。在從制造、保存、安裝的各階段中，每個密鑰區只會按階段保存四種密鑰DITK、DDTK、DUTK、DCTK中的一個，用于對憑證解密處理。對于20位token，水表終端MCU控制器使用一系列轉換得到64bit數據塊，然后使用解碼器密鑰和解密算法對數據塊進行解密。最后根據解密的數據進行驗證和充值。代換過程中在數據流16個半位元（nibble）中每一個都有一個4位代換流程，所使用的代換表是兩個16位替代表之一，該代換表取決于密鑰對應元組最高位的具體設置。

圖3 解密算法流程及代換過程

4 結束語

目前在預付費方式上，各種技術層出不窮，如4442卡、T5557卡等，但是智能卡需要到充值點重新編程，用戶操作非常繁瑣。并且大多用戶更偏重互聯網方式獲取充值信息，避免因為卡受損壞無法充值或節假日無法購水的麻煩。而且水表終端具有LoRa通信模塊，能夠進行雙向通訊，可以實時和主站進行數據交互，用戶也可以使用配備的CIU設備訪問水表終端數據和進行信用傳遞，為水務部門的管理提供極大的便利。