张 军

（宁夏隆基宁光仪表股份有限公司，银川 750000）

国内市场上电子远传水表、IC卡预付费水表已大量应用，但也存在如下问题：不同厂家的卡格式、加密方式有差异；IC卡易损坏、遭受破译，购水要到指定营业点，并且需要人工抄表；采集器数据传输系统大，难免造成“排队”现象。本设计结合LoRa技术的优势，应用STS标准传输协议，提高用户与水表的数据交互性和保障用户充值安全。

1 总体设计

基于LoRa无线通信的STS分离式预付费水表是在低功耗的原则下设计实现的，在空闲任务时处于睡眠状态，当有外部消息触发时从低功耗状态下唤醒，处理相应的任务，如计量任务、通信任务、STS解密任务等。使用LoRa无线接口可与采集器进行数据交互，通过CIU设备进行信用传递。

图1 总体功能模块框图

2 硬件设计

2.1 MCU控制单元

基于LoRa无线通信的STS分离式预付费水表使用电池供源，需要超低的工作耗能。本设计中采用STM8L052超低功耗微控制器，采用了全新的超低漏电工艺和优化的体系结构，睡眠模式下功耗只有3.0uA。可满足无线通信、阀门控制、STS加密（解密）等功能需求。

2.2 通信单元

无线通信采用低功耗、半双工通信、灵敏度高的SX1278芯片控制器。使用最好的LoRa扩频调制技术，可配置扩频调制带宽（BW）、扩频因子（SF）、纠错率（CR）。控制PIN脚RF_RX和RF_TX与水表终端MCU连接，通过MCU配置RF_RX和RF_TX的电平变化，控制模块处于接收模式还是发送模式。水表终端MCU与SX1278采用高速SPI通信，主控MCU可以设置SX1278内部寄存器值，也可以将发送的数据写入FIFO缓存中。

图2 LoRa模块原理图

无线通信中，射频天线的处理至关重要。天线是一种转能器，将发射机的高频电流转化为空间电磁波，接收时又把从空间截获的电磁波转换为高频电流送人接收机。在原理图设计时，需要在天线接头与模块的天线引脚之间预留一个π型匹配电路。天线的阻抗是受到电路板的铺地、外壳和安装角度等因素。

3 软件设计

3.1 解码器设计

CIU设备装有LoRa通信模块，用户可将20位token利用无线传递到水表终端，实现水量充值。在从制造、保存、安装的各阶段中，每个密钥区只会按阶段保存四种密钥DITK、DDTK、DUTK、DCTK中的一个，用于对凭证解密处理。对于20位token，水表终端MCU控制器使用一系列转换得到64bit数据块，然后使用解码器密钥和解密算法对数据块进行解密。最后根据解密的数据进行验证和充值。代换过程中在数据流16个半位元（nibble）中每一个都有一个4位代换流程，所使用的代换表是两个16位替代表之一，该代换表取决于密钥对应元组最高位的具体设置。

图3 解密算法流程及代换过程

4 结束语

目前在预付费方式上，各种技术层出不穷，如4442卡、T5557卡等，但是智能卡需要到充值点重新编程，用户操作非常繁琐。并且大多用户更偏重互联网方式获取充值信息，避免因为卡受损坏无法充值或节假日无法购水的麻烦。而且水表终端具有LoRa通信模块，能够进行双向通讯，可以实时和主站进行数据交互，用户也可以使用配备的CIU设备访问水表终端数据和进行信用传递，为水务部门的管理提供极大的便利。