【应用】物联网燃气表—报警器联合通讯系统成功设计方案

时间： 2018-04-28 来源：世强

技术问答

目前市场上应用的物联网智能燃气表，可以与燃气器公司服务器进行通信，但智能燃气表是电池供电，因为功耗高的原因，通信频次和时间受到限制，不能实时通信，一般智能燃气表每天只固定时间上报1次左右。燃气公司无法主动实时抄收数据。目前市场上应用的燃气泄漏报警器（以下简称报警器）产品，大部分都只具有报警功能，报警器被触发报警后，不能及时通知智能燃气表关闭内置内置阀门，避免灾害发生。还有少数的情况是智能燃气表和报警器之间通过有线连接，报警器被触发报警后，通过有线连接发送开关信号给智能燃气表，智能燃气表关闭内置阀门，但这种方式需要布线，安装方式有局限。

1 设计方案

针对上述问题，笔者设计一种智能燃气表和燃气报警器的联合通讯系统。智能燃气表是电池供电，报警器是市电供电。智能燃气表和报警器之间采用BLE4.0低功耗蓝牙通信，智能燃气表内置低功耗蓝牙从机模块，报警器内置低功耗蓝牙主机模块。报警器内置有NB-IoT模块，可以和燃气器公司进行远程通信。燃气公司可以通过该联合系统实时抄读智能燃气表的数据；用户可以通过该联合系统24小时网上缴费，实时给智能燃气表充值。燃气泄露时，该联合系统可以及时通知燃气器公司服务器，也可以及时关闭智能燃气表内置阀门，防止事故的发生。

2 结构图及功能

该联合系统由智能燃气表和报警器组成，见下图1。

图1 系统结构组成图

智能燃气表由基表和智能燃气表控制器组成。智能燃气表控制器结构见图2，其中箭头方向代表数据或命令传输的方向。智能燃气表控制器是指智能燃气表中电子部分，由微功耗单片机、电压管理模块、储存模块、声音报警模块、内置阀门控制模块、显示模块、采集计数模块、按钮、和蓝牙从机模块组成。智能燃气表具有精确计数、内置阀门自动处理、数据可靠存储、欠压、掉电处理、数据显示与声音提示、蓝牙数据传输等功能。

图2 燃气表结构框图

报警器由外壳、电源线和报警器控制器组成。报警器控制器结构见图3，箭头方向代表数据或命令传输的方向。报警器控制器是指报警器的电子部分，由微功耗单片机、电压管理模块、储存模块、声音报警模块、甲烷传感器、指示灯、NB-IoT模块、按钮、和蓝牙主机模块部分组成。报警器具有燃气超过浓度值报警、掉电功能保持、蓝牙数据传输、NB-IoT数据上传等功能。

图3 报警器控制器结构框图

3 模块选型

在上述系统的各个模块中，其中单片机、蓝牙模块和NB-IoT模块是最主要的功能模块，他们的性能是整个系统运行的关键。另外当报警器掉电时，使用内置电池维持其继续工作，待外部电源恢复后，市电需要给内部电池充电。因此充电芯片在系统中也是至关重要的。笔者在项目中对各个模块选型如下。

3.1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R7F0C020M2DFB产品。主要由于R7F0C020M2DFB具有以下性能，因此非常适合笔者设计的智能燃气表主控应用。

·主频最高24MHz；

·Flash 256KB，可擦写次数不少于10万次，用于存储余额、历史用量等信息；

·SRAM 24KB；

·支持RTC；

·支持的AD输入，用于电压检测；

·低功耗模式：平均功耗66uA/MHz，STOP：0.24uA，32.768k：0.57uA， RTC：0.02uA；

·支持LCD驱动 4*51/8*47；

·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，RL78/I1C系列的单片机有很好的扩展性，对于以后其它项目的推广也有很好的移植性。

3.2 蓝牙模块

蓝牙模块是蓝牙燃气表的核心部件，笔者在设计中选用SILICON LABS的BGM111，低能耗蓝牙，又称智能蓝牙，是蓝牙SIG 开发的一个开放标准。低能耗蓝牙的功耗比以前的版本少10％至20％，传输数据比经典蓝牙解决方案能够快50 倍。BGM111尺寸小，功耗低，传输距离远，具体指标(如图3所示)。

图4 蓝牙模块技术指标

3.3 NB-IoT模块

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。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。笔者在设计中选用LONGSUNG的NB-IoT蜂窝模块A9500。对于3GPP Rel.13的规范，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：-40℃～+85℃，适应范围更广，因此燃气表可应用的场景更多，即使在北方冬天的恶劣低温环境下也能正常工作；

·多星GNSS：提供多种定位方式，定位更精准；

·支持FOTA，DTMF；

·支持OpenCPU。

3.4锂电池充电芯片

报警器在正常的工作情况下，电源是由市电（220V）供电，当发生停电的情况时，报警器内置充电锂电池，在没有市电的情况下，维持报警器继续工作。在该系统中锂电池充电是重要的一个环节。笔者在设计中选用SGMICRO的SGM41504，数据指标如图5。

图5 SGM41504数据指标

该系统目前已量产，而且应用该系统对用户和燃气公司有很大意义。用户可以通过手机APP或交费网站24小时随时交费；燃气泄露时，报警器可以通过低功耗蓝牙及时通知智能燃气表关闭内置阀门，将报警信息通过NB-IoT模块发送给燃气器公司服务器。燃气公司可以通过该联合系统实时抄读智能燃气表的数据，统筹分析管理。

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LouBing Lv7. 资深专家 2018-04-28

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