劉陽

摘要：針對工商業(yè)燃氣用戶地域分散、燃氣用量大、抄表困難以及通過GPRS構(gòu)成單體式物聯(lián)網(wǎng)燃氣表功耗高等問題，提出一種使用低功耗單片機STM8L052、擴頻通信模塊SX1278和GPRS通信模塊MC55組成的分體式物聯(lián)網(wǎng)膜式燃氣表設(shè)計方案?，F(xiàn)場燃氣計量部分采用低功耗設(shè)計，使用電池供電，放置在安全區(qū)域的GPRS通信傳輸部分采用市電供電，兩者之間通過擴頻通信傳輸，具有遠程實時抄表、開關(guān)閥控制等功能。測試和實際應(yīng)用表明，有效解決了單體式物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的防爆和可靠供電問題。

Abstract： There are some problems existing in industrial and commercial gas users， such as the geographical dispersion， a large amount of gas， meter reading difficulties and single Internet of Things gas meter with higher power consumption and composed by GPRS. Based on this， this paper proposed a design scheme of split-type Internet of Things diaphragm gas meters with a low power MCU STM8L052， spread spectrum communication module SX1278 and GPRS communication module MC55. The gas metering part adopts the design of low power consumption， powered by battery， and the GPRS communication part placed in the security region is powered by the city. The communication between the two is finished through spread spectrum with real-time remote meter reading， switch control and other functions. The test and practical application show that this method can effectively solve the problem of explosion proof and reliable power supply of a single Internet of Things gas meter.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；燃氣表；GPRS；低功耗；擴頻通信

Key words： Internet of things；gas meter；GPRS；low power consumption；spread spectrum communication

中圖分類號：TP216.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0091-04

0 引言

燃氣計量是燃氣系統(tǒng)的重要組成部分，由于城市燃氣用戶眾多，燃氣費的抄收任務(wù)十分繁瑣和困難，實現(xiàn)燃氣費的自動抄收是燃氣公司的必然要求。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人工抄表方式因為抄表難、收費難等問題逐漸被取代，智能燃氣表應(yīng)運而生[1]；IC卡燃氣表因為燃氣公司不能控制燃氣表，不利于財務(wù)統(tǒng)計和防盜氣[2]；雖然有線抄表方式抄表不用入戶并且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，但前期布線工作量大，容易被損壞，容易發(fā)生故障，難于維護，在無線技術(shù)進步日新月異的今天，這種抄表方式必將被取代[3]；無線自組網(wǎng)燃氣表實時性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，但是只適合用戶較為密集的區(qū)域。工業(yè)和商業(yè)燃氣用戶地域分散，難于實現(xiàn)無線自組網(wǎng)；由于燃氣用量大，使用頻繁，防爆要求高，使用GPRS通信的物聯(lián)網(wǎng)燃氣表雖然能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制，但信息傳輸時電流大，難以使用電池長時間供電[4]。為此，物聯(lián)網(wǎng)燃氣表只能采取單向通信方式，定時開啟網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)和下載命令，或者通過被動喚醒與服務(wù)器進行通訊，不能對物聯(lián)網(wǎng)燃氣表進行實時操作，而工商業(yè)燃氣用戶需要時常監(jiān)控，故這種單向通信方式不能滿足使用需求。若將廣域物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部分獨立出來安裝在安全區(qū)使用220V市電供電，則可使其既能實現(xiàn)實時通信，又不會增加表具的功耗?；诖耍岢鲆环N將燃氣表計量部分和GPRS通信傳輸部分分離的分體式物聯(lián)網(wǎng)燃氣表設(shè)計方案，實現(xiàn)遠程實時抄表、開關(guān)閥、調(diào)價等功能。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)國家無線電管理委員會相關(guān)文件要求，燃氣表短距離通信功率不得超過50MW[5]。根據(jù)防爆等相關(guān)規(guī)定，燃氣表電源使用4節(jié)堿性電池，并且其電源應(yīng)能實際工作一年以上。功能上要求智能燃氣表能實現(xiàn)遠程實時抄表、開關(guān)閥控制、自動調(diào)價等功能。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。燃氣表使用4節(jié)干電池供電，收發(fā)器使用220V市電供電，燃氣表和收發(fā)器之間通過RFID射頻通信，外置收發(fā)器通過GPRS模塊接入燃氣公司服務(wù)器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件組成

分體式工商業(yè)用物聯(lián)網(wǎng)膜式燃氣表的硬件電路包括燃氣表部分和收發(fā)器部分，兩部分間通過RFID進行實時通信，系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示。

燃氣表部分包括STM8L052接口電路、計量模塊、閥門模塊、液晶模塊、蜂鳴器電路以及RFID射頻等電路。低功耗單片機使用STM8L052，它性價比高，并且擁有超低功耗的特點；其電源使用4節(jié)干電池串聯(lián)共計6.0V的電壓；單片機通過外圍的計量模塊、RFID射頻電路等收集燃氣表的信息，并根據(jù)收到的指令或脈沖控制閥門、液晶或者更改自身參數(shù)。

收發(fā)器部分硬件電路包含單片機及其接口、RFID射頻電路、GPRS通信模塊和電源模塊。電源采用220V市電通過AC/DC變換為5V直流供電，表端單片機平時處于睡眠模式，每當(dāng)有數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息變化時，才喚醒并通過RFID實時傳遞信息給外置收發(fā)器，外置收發(fā)器處理后利用GPRS模塊通過公網(wǎng)與燃氣公司服務(wù)器進行通信。當(dāng)系統(tǒng)端有指令信息（包括抄表、開關(guān)閥控制、充值等）下傳，收發(fā)器收到指令后便通過RFID喚醒燃氣表并發(fā)送相應(yīng)指令。由于外置收發(fā)器長期處于工作狀態(tài)，可以保證實時雙向通信。GPRS模塊外置，而表端控制器由堿性電池供電，平時處于睡眠模式，耗電量極低，可有效解決物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的功耗問題。

2.2 RFID射頻電路

燃氣表和收發(fā)器上采用相同的RFID射頻電路，該電路采用SX1278無線模塊，該無線模塊支持LoRa調(diào)制模式，接收靈敏度達到-148dbm，功耗極低且不需要使用溫補晶振。由于使用擴頻通信技術(shù)，不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發(fā)送也不會相互干擾[6]。

采用LoRa技術(shù)后，設(shè)計人員可以最大程度地實現(xiàn)更長距離的通信與更低的功耗，與傳統(tǒng)GFSK調(diào)制方式比較，通信距離更遠、抗干擾能力更強、功耗更低。原理圖如圖3所示。

圖3中的U6為射頻開關(guān)，RF1是接收端，RF2為發(fā)送端。當(dāng)V1為高電平（2V-5V）、V2為0V時，RF1和COM被隔離斷開，RF2和COM導(dǎo)通；當(dāng)V2為高電平（2V-5V）、V1為0V時，RF2和COM被隔離斷開，RF1和COM導(dǎo)通。通過電容C014、C015、C016和電感L3組成LC濾波器，作為接收信號的濾波電路，濾除噪聲信號，提高了接收靈敏度。SX1278的BOOST及VPA引腳與U6的RF2引腳之間是發(fā)送端的濾波電路，經(jīng)電容C012隔直后再濾波，通過射頻開關(guān)經(jīng)天線發(fā)送出去。

2.3 GPRS模塊電路

GPRS模塊采用MC55模塊，支持當(dāng)今所有GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，可以快速可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，更小巧，更緊湊，并且內(nèi)部含有TCP/IP協(xié)議棧，調(diào)用相應(yīng)的AT指令，可以使模塊很方便地連接網(wǎng)絡(luò)。其電路如圖4所示，主要包含MC55及其接口、SIM卡電路、電源電路以及與STM8L052相連的串口通信電路。

MC55的TXD0、RXD0引腳與單片機相連作為串口通信電路；MC55的CCGND、CCIN、CCREST、CCIO、CCVCC與CCCLK引腳組成SIM卡接口，C4、C5為濾波電容；MC55使用VBATT引腳供電，D4作為穩(wěn)壓二極管將5V輸入電源穩(wěn)壓由VBATT輸出。單片機通過改變MC55的IGT引腳電平，改變模塊的工作狀態(tài)。SYNC引腳用來作數(shù)據(jù)傳輸提示，每當(dāng)進行數(shù)據(jù)傳輸時，SYNC引腳輸出高電平通過三極管T1點亮發(fā)光二極管LED1。

3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計

通信協(xié)議包括兩部分：GPRS協(xié)議和RFID協(xié)議。

3.1 GPRS協(xié)議

GPRS協(xié)議傳輸幀格式如表1所示。幀起始符和結(jié)束符分別固定為68H和16H；幀長度為該幀的總長度；功能碼是指命令種類，使用BCD碼；請求響應(yīng)標(biāo)志為0代表該幀是請求幀，為1代表該幀是響應(yīng)幀；校驗碼使用CRC-16校驗。

無論是燃氣表或收發(fā)器，每個節(jié)點都有一個唯一的編號，作為節(jié)點的唯一標(biāo)識。每一個收發(fā)器在連接上服務(wù)器后，都會向服務(wù)器發(fā)送一條注冊包，服務(wù)器收到注冊包后，將會存儲每一個收發(fā)器對應(yīng)的IP和端口，便于服務(wù)器對多個收發(fā)器進行批量管理。服務(wù)器在給收發(fā)器發(fā)送請求幀后，若在20s內(nèi)沒有收到對應(yīng)收發(fā)器的響應(yīng)幀，則會再次發(fā)送該請求幀，如果連發(fā)3次都未收到響應(yīng)，說明通信故障，停止發(fā)送該請求。

3.2 RFID協(xié)議

單片機在低功耗模式下采取定時喚醒的方法，單片機每間隔時間T主動喚醒時間t，在時間t內(nèi)若沒有收到任何數(shù)據(jù)，單片機進入睡眠狀態(tài)；如果收到數(shù)據(jù)就一直喚醒并接收完數(shù)據(jù)，之后重新進入睡眠模式。時間T之后再次喚醒，重復(fù)上述過程。在進行通信的時候，節(jié)點之間采取先發(fā)送喚醒幀后通信的方法。為了不使指令時間過長，系統(tǒng)設(shè)置T為2s，t為2ms。

RFID通信協(xié)議的格式見表2。協(xié)議的第1個字節(jié)用來表示該幀的長度；第2個字節(jié)為該命令的功能碼，以執(zhí)行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)相應(yīng)的功能；第3至6字節(jié)為發(fā)送該命令的節(jié)點編號；第7至10字節(jié)代表目的地址編號；數(shù)據(jù)域表示需要設(shè)置的參數(shù)信息，如節(jié)點編號、氣價等，也可以為空，如喚醒幀、抄數(shù)、開關(guān)閥等；最后一字節(jié)是累加和校驗。

當(dāng)節(jié)點接收到喚醒幀的時候，判斷此幀的目標(biāo)節(jié)點與自身編號是否一致：若不是，則返回睡眠狀態(tài)；若是，則節(jié)點接收數(shù)據(jù)幀并進行相應(yīng)處理。在之后一段時間內(nèi)，若收到數(shù)據(jù)且目標(biāo)節(jié)點與自身編號一致，則按照收到的幀的功能碼執(zhí)行相應(yīng)的動作；如果目標(biāo)節(jié)點與自身編號不一致，則繼續(xù)等待數(shù)據(jù)，如果過了這段時間后，節(jié)點仍沒收到任何發(fā)送給自身的數(shù)據(jù)，則再次進入睡眠狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分使用C語言編寫，在IAR環(huán)境下進行開發(fā)。系統(tǒng)軟件分為表端和收發(fā)器兩個部分。

4.1 表端程序設(shè)計

表端主程序流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，然后進入低功耗模式，在此模式下每隔2s喚醒2ms，判斷有無收到無線信號，若有，則進入中斷并喚醒。

4.2 收發(fā)器程序設(shè)計

收發(fā)器程序流程如圖6所示。系統(tǒng)接通電源后，等待收發(fā)器自身初始化完畢，使SX1278進入無線接收模式，GPRS模塊與燃氣公司服務(wù)器建立連接。然后進入循環(huán)，判斷有無收到無線信號，若收到則通過GPRS模塊向燃氣公司管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。判斷有無收到GPRS指令，若收到則將指令通過無線射頻模塊向表端轉(zhuǎn)發(fā)。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要是服務(wù)器與燃氣表間的通信測試以及燃氣表的功耗測試。其中，燃氣表端的各模塊功耗測試結(jié)果如表3所示。

由于計量模塊、液晶屏、閥門和蜂鳴器大部分時間都處于休眠狀態(tài)，表端功耗主要來自喚醒工作狀態(tài)下的無線部分和睡眠狀態(tài)下的單片機部分。由于工商業(yè)用燃氣表需要時?？刂?，如果按照一天發(fā)送10條指令，每次無線接收和發(fā)送各5s，則單日無線部分的功耗約為：

由上可知，燃氣表單日總功耗約為1.4mAh，如果采用4節(jié)容量約1000mAh的普通5號堿性電池LR6AA1.5V串聯(lián)供電，電壓過低時（低于4.4V）燃氣表會主動關(guān)閥，可計算出燃氣表電池的使用壽命可達1-2年。

6 結(jié)束語

設(shè)計了一種分體式物聯(lián)網(wǎng)燃氣表，闡述了分體式物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的設(shè)計方案，并完成了系統(tǒng)的軟、硬件及通信協(xié)議設(shè)計。通過分體式設(shè)計，在滿足低功耗要求的同時，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的雙向?qū)崟r通信，提高了燃氣表的可控性、可靠性，大大提高了燃氣公司的工作效率。

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