【应用】可实现预付费功能的物联网燃气表成功设计方案

1 概述

目前在智能燃气表行业中IC卡燃气表占据主力地位，据不完全统计全国IC卡燃气表市场保有量超过5000万台。IC卡燃气表可以实现预付费功能，但有其自身的缺点：用户需要到燃气营业厅购气，如在购气高峰期用户需排长时间队才能完成购气。对于燃气公司也有信息滞后、供销气差难以控制等问题。 针对上述问题，本文基于IC卡燃气表用户购气不方便，燃气公司统计用户用气信息不方便的问题，设计一种物联网燃气表。用户24小时在线缴费充值，用户信息自动定时上报燃气公司。

2 结构图及功能

物联网燃气表是以膜式燃气表为基表，加装电子控制器所组成的一种远程通讯功能的燃气计量装置。其控制器由一般由微功耗单片机、电压管理模块、存储模块、声音报警模块、阀门控制模块、显示模块、采样计数模块、时钟模块、按键模块、存储模块、和物联网模块部分组成(如图1所示)。具有精确计数、数据可靠存储、欠压、掉电处理、数据显示与声音提示、数据远传、阀门自动处理等功能。 

图1 物联网燃气表结构框图

3 工作流程

缴费流程：首先用户下载APP客户端并安装、注册。注册成功后用户登录并填写燃气表的表号或扫二维码获得表号信息，然后用户通过APP就能给对应表号的燃气表缴费，缴费成功后燃气公司后台服务器就会产生缴费信息，按下燃气表上的按键，单片机控制启动物联网通信模块，之后物联网通信模块通过SIM卡与运营商网络建立无线连接，连接成功后，后台服务器把缴费信息通过运营商网络下发给燃气表并最终通过LCD显示缴费金额。

抄表流程：燃气表由单片机控制采样干簧管计数脉冲计算用气量信息并每天定时启动物联网通信模块和运营商网络连接，物联网通信模块把用气量信息经运营商网络发送到燃气公司后台服务器。

4 工作模式

“线上”工作模式主要应用于大多数不想到燃气公司营业厅排队购气，有网上购气需求的用户，该类用户可以用手机APP按照上述工作流程完成购气过程。

“线下”工作模式主要应用于少数“老人用户”，对于智能手机和APP操作不熟悉，仍然可以到燃气公司营业厅购气，到营业厅只需要提供燃气表号就能实现缴费。

5 模块设计选型

5.1单片机模块

单片机是整个控制器的核心。笔者在设计中选用瑞萨电子的RL78/I1C系列的R5F10NMGDFB#30产品。其应用优势特性如下：

·主频最高24MHz；

·Flash 128KB；

·EEPROM 2（KB），可擦写次数不少于10万次，用于存储余额、历史用量等信息；

·支持RTC，电源引脚独立，外部电池掉电，可以用燃气表内部电池维持时钟继续工作；

·支持的AD输入，用于电压检测；低功耗模式：

·平均功耗70uA/MHz，STOP：0.65uA，32.768k：1.13uA， RTC：0.7uA；

·支持LCD驱动4*42/8*38；

·温度范围支持-40℃～85℃，满足燃气表标准规定的使用范围-20℃～+60℃的要求；

·支持UART接口与物联网模块通讯。

同时，这个系列的产品在Flash大小和引脚数等方面也都有很好的扩展性，可以升级为100pin，Flash 256KB。对于以后其它项目的推广也有很好的移植性。

5.2物联网模块

物联网模块主要是NB-IoT 和GPRS 模块。GPRS 属于长距离通讯，NB-IoT属于中远距离通讯技术，工作频率在433MHz~912MHZ，有效通讯距离应该在5~10公里以内。NB与GPRS最大的区别在于，NB-IoT功耗远低于GPRS，这样可以解决很多应用领域供电麻烦，而且NB相对结构接单，成本低，而且使用的频段是免费的，所以即低功耗又低成本，未来可以创造很多原本没有的无线应用。

目前国内的NB-IoT的市场，芯片公司以华为为代表，运营商以中国电信为代表，正在用平台化的建设思路迅速打开市场，而NB-IoT“广覆盖、低功耗、大连接、低成本”的四大优势，也正在随着市场规模的扩大而逐步显现出来。同时，与LoRA、Sigfox等私有技术相比，NB-IoT也因为和现有蜂窝网体系完美融合而越来越得到市场的认可。

NB-IoT技术可满足燃气表行业对低功耗、长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务，更适合静态业务、对时延低敏感、非连续移动、实时传输数据的业务场景。

笔者在设计中选择LONGSUNG的A9500模块。A9500是基于高通 MDM9206的LTE CatM/CatNB1蜂窝模块，专为全球IOT和M2M市场而设计。对于3GPP Rel.13的规范，A9500可以在CatM（eMTC）的网络制式下提供1Mbps数据访问速度；在CatNB1（NB-IoT）的网络制式下，A9500能够提供200Kbps数据访问速度。在没有eMTC和NB-IoT网络的情况下，A9500还可以注册到GPRS网络。

A9500是一款高性价比、有竞争力的模组产品。 产品具有以下的重要特点：

·小尺寸的LCC封装：产品的尺寸仅为26.0×24.0×2.5mm，小尺寸的模组可减小最终产品的尺寸，提高产品集成度；

·高可靠性；

·宽工作温度：适应范围更广，可应用的场景更多；

·多星GNSS：提供多种定位方式，定位更精准；

·支持FOTA，DTMF；

·支持OpenCPU。

5.3阀门控制模块

阀门的驱动模块是极其重要的部件。笔者选择SGMICRO的具有多重保护功能的直流电机/线圈驱动芯片SGM42507。SGM42507提供丰富的智能保护：内部集成过流保护、欠压保护以及过温保护，其中过流保护阈值为0.75A/1.5A可选，欠压保护阈值为1.7V/2.8V/3.6V可选，满足不同用户的设计需求。这些保护功能互相配合，有效防止电路出现过应力状态，同时警报输出报告简化失速感应设计，便于实现高可靠性的驱动设计。

此外，该元件支持快衰减和慢衰减模式，有效降低电机的功率损耗和噪声。SGM42507具有超低功耗，内部H桥主开关采用场效应管，导通电阻最低为235mΩ，并且关断状态的漏电流仅为1.0μA，有效降低了元件的开关损耗。SGM42507采用紧凑型的封装设计，提供SC70-6和TSOT-23-6两种封装类型，工作温度范围为-40℃~85℃，符合工业级温度标准。

5.4时钟模块

本方案实时时钟笔者选择EPSON的RX-8025T。RX-8025T是一款拥有I²C接口和温度补偿功能的新型实时时钟芯片，内部集成32.768KHz温度补偿晶体振荡器，可用于各种需要高精度时钟的场合。通过设置相应补偿的控制位，可以实现不同间隔的温度补偿功能，从而大大提高了时钟的精度。芯片可设置四种不同的时段进行温度补偿，默认设置是2S补偿。该芯片采用C-MOS工艺生产，具有极低的功能消耗，可长期使用电池供电。