【技术大神】基于高性能的低电流收发器的无线远传燃气表方案设计

目前在燃气表行业中燃气表的种类主要有普通机械表、IC卡燃气表等。他们各自都有存在的问题。普通机械表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据并收费。人工抄表有入户难、管理成本高、风险大等缺点；IC卡表可以实现预付费功能，但是IC卡燃气表用户需要到燃气售气点购气，对于燃气公司也有信息滞后、供销气差难以控制等问题。

技术方案

小无线燃气表（通常使用433MHz、470MHz），这些频段是国家规定的免费开放的抄表专用频段，用户可以自行制定抄表协议，灵活适用性强。燃气公司可以实时抄表，及时了解燃气表的运行情况；用户可以24小时网上交费，自动充值。

该小无线燃气表系统由小无线燃气表、中继器、集中器和控制中心组成。系统组成见图1。

图1小无线燃气表系统组成

燃气表由基表、阀门（可选）、采集模块等部分组成，集计量、控制、通信等功能为一体，是智能化的无线传输控制单元。集中器是燃气远传抄表系统的数据集中单元，集中器通过建立可靠的通信通道，处理和交换服务器与燃气表间的数据信息。内部自带时钟，可定时自动抄表，抄表后的数据保存在集中器中，供服务器随时读取。中继器具有对对信号进行增强放大功能，从而确保燃气远传抄表系统在信道环境恶劣或传输距离较长的情况下，能够可靠地进行通信。

小无线燃气表包括基表、嵌入式处理器、采样电路、存储器、阀门控制电路、LCD显示电路以及小无线模块；外围设备包括手机、中继器、集中器、总控中心。总控中心可以通过集中器随时读取燃气表中的数据信息，可以通过集中器读取控制阀开、关状态，并能控制燃气表的控制阀开、关。用户也可以实现在线24小时自助缴费。小无线燃气表内部结构示意图如图2。

图2小无线燃气表内部结构

该系统主要有实时抄表和自主交费两个功能，主要工作流程为：

抄表功能: 总控中心发送抄表指令给集中器,集中器发送连接指令。燃气表上电工作后，安装在燃气表上的小无线模块开始工作，间歇性监听是否有连接信号，在连接建立以后，集中器将抄表指令发送给燃气表,燃气表的数据通过集中器发送给总控中心，总控中心将燃气表数据发送至用户手机；

交费功能:当用户缴存气费时，可以通过APP应用进行，APP应用将用户缴存气费的信息发送至总控中心后，总控中心通过集中器将充值信息传送至燃气表，完成气费的缴存。燃气表成功充值后，通过集中器将充值成功信息反馈给总控中心，总控中心再将确认信息发送至用户手机。

器件的选型和设计

小无线模块是小无线燃气表的核心部件，在笔者的方案中选择SILICON LABS的Si4438-C高性能的低电流收发器，可覆盖从425至525MHz的次千兆赫频段。Si4438针对中国智能仪表市场，该设备的覆盖区及引脚与Si446x无线电兼容，可为全世界的次千兆赫应用提供行业领先的性能。无线电设备是 EZRadioPRO®产品系列的一部分，包括全套发射器、接收器和收发器的产品线，涵盖各种应用。所有零件都具有杰出的灵敏度—124dBm，可同时实现极低的有效电流和待机电流消耗。12.5kHz通道58dB相邻通道选择性的间距确保了严苛 RF 条件下的可靠接收操作。Si4438可提供超常的高达+20dBm具有显著 TX效率的输出功率。高输出功率和灵敏度实现了业界领先的144dB链路预算，实现了范围扩展和高度可靠的通信链路。具体指标(如图3所示)。

图3指标

低功耗设计：

因燃气表使用碱性电池供电，要求燃气表低功耗运行。小无线燃气表系统的关键是低功耗设计：低占空比模式（自动 RX 唤醒）。

开启低占空比（LDC）模式是为了自动唤醒接收器，以检测是否存在有效信号，或启动发送器发送数据包。这实现了使用唤醒定时器（WUT）的 Si4438的低电流轮询操作。当设置WUT时须通过 GLOBAL_WUT_CONFIG 属性设置 RX 和 TX LDC 操作。LDC 唤醒周期由以下公式决定：

在LDC模式持续期间接收器会定期自我唤醒，以维持RX_STATE。如果未检测到有效前导码，而检测到接收错误，或者未接收到整个数据包，接收器会在LDC模式持续时间结束时恢复到WUT状态（即，就绪或睡眠）并维持至下个唤醒周期的开始。如果检测到有效前导码或同步字，接收器会延迟 LDC模式持续时间以接收整个数据包。如果在两个LDC模式持续期间都未接收到数据包，则接收器会在最后一个LDC 模式持续时间结束时恢复到WUT状态并维持到下一个唤醒周期。

在 TX LDC模式下，发送器会定期自我唤醒，以发送数据缓冲器内的数据包。如果数据包已经发送，在INT_CTL_ENABLE属性中设置选项后nIRQ就会走低。在发送后，发送器会立即恢复到WUT状态并维持至下个唤醒周期的结束。

中继位置设计：

在小无线燃气表系统各个技术环节中，无线通信距离是最关键的环节，直接决定了整个系统的成败。为了增加通讯距离有组网和增加中继两种方案，组网方案依赖于网络关键节点的性能和完善的组网协议，如果网络数量大，稍有问题就会造成真个网络的崩溃。因此增加中继方案虽然说会增加一定的成本，但是可以保证整个网络的可靠运行。

在与较远的燃气表通讯时，数据包将通过一个或多个中继器的转发，逐步传递到集中器。这样，无线链路长度将被缩短，对无线信号传输距离以及采集器的发射功率也将降低，增强了无线信号出户的能力。在小无线燃气表系统中，根据燃气表安装环境位置不同，中继器有多种安装方案。

方案1

在对面建筑顶部安装。在多层住宅中，大部分用户的气表安装在外墙的内立面上，无线信号可以较轻松的穿透墙壁进行传送。此时，可以在此栋楼的对面楼的顶层安装中继器，建筑内部的所有燃气表通过中继器与集中器连接或与下一级中继器连接。方案1的中继器安装位置见图4。

图4 方案1的中继器安装位置

方案2

在本楼栋顶部靠楼梯间墙安装。相当建筑的厨房位置紧临楼梯间，燃气表就安装在同楼梯间的分隔墙上，气表可能距离建筑物的外立面墙有一定的距离，这个时候，也可以选择将中继器安装在该单元的楼梯间的楼顶的位置。方案2的中继器安装位置见图5。

图5 方案2的中继器安装位

方案3

对面建筑的中部及顶部（适用于表在内部较深的地方）。极少数住宅气表的安装不在上面说的位置，而是处于靠近房间内部的墙壁上，这个时候，上面的2个方案可能都不能收到全部的无线模块信号，这时就可能需要用到方案三了。可以在对面楼的楼层垂直方向的中央部位放置另外一个中继，较低的几个楼层的无线模块信号通过新增的中继传送到位于楼顶的中继器，再由楼顶的中继传送到下一级中继或集中器。在这种情况下，楼顶的中继器既是对面楼较高楼层的层中继器，又是较低层的二级中继器，网络在这种情况下已经由简单的星型结构变为比较复杂的网状结构，但网络的控制全部由系统自己控制，不需要人工的参与。方案3的中继器安装位置见图6。

图6 方案3的中继器安装位

方案4

厨房墙外部安装。对于一些厨房位于房间的外围的高层建筑，气表安装在外立面墙上，并且安装位置统一，安装位置较高，在这个时候，可以在楼的中间部位（垂直方向），和气表同一个建筑立面上的位置安装一个中继设备，来完成所有楼层无线模块的中继通信。一个中继管理的楼层数不应该超过20层，如果超过了20层，应该酌情考虑增加中继的数量。

方案5

投影面内找点。对高层建筑，如果在本体建筑上安装设备不方便，可以考虑在厨房的投影面方向选择一个可以观察到所有楼层的位置，在这个位置上安装一个中继设备，完成通信的中转。目前大多数高层建筑一层有多个燃气用户，燃气表安装位置除了楼体外侧，还有的安装在紧临楼梯间的厨房内，因此需要在楼梯间增加中继。方案5的中继器安装位置见图7。

图7  方案5的中继器安装位

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