分體式工商業(yè)用物聯(lián)網(wǎng)膜式燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉陽

摘要：針對(duì)工商業(yè)燃?xì)庥脩舻赜蚍稚ⅰ⑷細(xì)庥昧看?、抄表困難以及通過GPRS構(gòu)成單體式物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砉母叩葐栴}，提出一種使用低功耗單片機(jī)STM8L052、擴(kuò)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?xì)獗碓O(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)場(chǎng)燃?xì)庥?jì)量部分采用低功耗設(shè)計(jì)，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(kuò)頻通信傳輸，具有遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)抄表、開關(guān)閥控制等功能。測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用表明，有效解決了單體式物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼姆辣涂煽抗╇妴栴}。

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?xì)獗?；GPRS；低功耗；擴(kuò)頻通信

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

中圖分類號(hào)：TP216.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）16-0091-04

0 引言

燃?xì)庥?jì)量是燃?xì)庀到y(tǒng)的重要組成部分，由于城市燃?xì)庥脩舯姸啵細(xì)赓M(fèi)的抄收任務(wù)十分繁瑣和困難，實(shí)現(xiàn)燃?xì)赓M(fèi)的自動(dòng)抄收是燃?xì)夤镜谋厝灰?。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人工抄表方式因?yàn)槌黼y、收費(fèi)難等問題逐漸被取代，智能燃?xì)獗響?yīng)運(yùn)而生[1]；IC卡燃?xì)獗硪驗(yàn)槿細(xì)夤静荒芸刂迫細(xì)獗?，不利于?cái)務(wù)統(tǒng)計(jì)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(hù)，在無線技術(shù)進(jìn)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?xì)獗韺?shí)時(shí)性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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?xì)庥脩舻赜蚍稚?，難于實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)；由于燃?xì)庥昧看?，使用頻繁，防爆要求高，使用GPRS通信的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗黼m然能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，但信息傳輸時(shí)電流大，難以使用電池長時(shí)間供電[4]。為此，物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碇荒懿扇蜗蛲ㄐ欧绞剑〞r(shí)開啟網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)和下載命令，或者通過被動(dòng)喚醒與服務(wù)器進(jìn)行通訊，不能對(duì)物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗磉M(jìn)行實(shí)時(shí)操作，而工商業(yè)燃?xì)庥脩粜枰獣r(shí)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(dú)立出來安裝在安全區(qū)使用220V市電供電，則可使其既能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，又不會(huì)增加表具的功耗。基于此，提出一種將燃?xì)獗碛?jì)量部分和GPRS通信傳輸部分分離的分體式物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)抄表、開關(guān)閥、調(diào)價(jià)等功能。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)國家無線電管理委員會(huì)相關(guān)文件要求，燃?xì)獗矶叹嚯x通信功率不得超過50MW[5]。根據(jù)防爆等相關(guān)規(guī)定，燃?xì)獗黼娫词褂?節(jié)堿性電池，并且其電源應(yīng)能實(shí)際工作一年以上。功能上要求智能燃?xì)獗砟軐?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)抄表、開關(guān)閥控制、自動(dòng)調(diào)價(jià)等功能。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。燃?xì)獗硎褂?節(jié)干電池供電，收發(fā)器使用220V市電供電，燃?xì)獗砗褪瞻l(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?xì)夤痉?wù)器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

分體式工商業(yè)用物聯(lián)網(wǎng)膜式燃?xì)獗淼挠布娐钒ㄈ細(xì)獗聿糠趾褪瞻l(fā)器部分，兩部分間通過RFID進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示。

燃?xì)獗聿糠职⊿TM8L052接口電路、計(jì)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(jī)使用STM8L052，它性價(jià)比高，并且擁有超低功耗的特點(diǎn)；其電源使用4節(jié)干電池串聯(lián)共計(jì)6.0V的電壓；單片機(jī)通過外圍的計(jì)量模塊、RFID射頻電路等收集燃?xì)獗淼男畔?，并根?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(jī)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(jī)平時(shí)處于睡眠模式，每當(dāng)有數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息變化時(shí)，才喚醒并通過RFID實(shí)時(shí)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?xì)夤痉?wù)器進(jìn)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?xì)獗聿l(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(shí)時(shí)雙向通信。GPRS模塊外置，而表端控制器由堿性電池供電，平時(shí)處于睡眠模式，耗電量極低，可有效解決物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼墓膯栴}。

2.2 RFID射頻電路

燃?xì)獗砗褪瞻l(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(dá)到-148dbm，功耗極低且不需要使用溫補(bǔ)晶振。由于使用擴(kuò)頻通信技術(shù)，不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾[6]。

采用LoRa技術(shù)后，設(shè)計(jì)人員可以最大程度地實(shí)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(yuǎn)、抗干擾能力更強(qiáng)、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(shí)，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(shí)，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(hào)的濾波電路，濾除噪聲信號(hào)，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(shí)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(jī)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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SYNC引腳輸出高電平通過三極管T1點(diǎn)亮發(fā)光二極管LED1。

3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

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(qǐng)求響應(yīng)標(biāo)志為0代表該幀是請(qǐng)求幀，為1代表該幀是響應(yīng)幀；校驗(yàn)碼使用CRC-16校驗(yàn)。

無論是燃?xì)獗砘蚴瞻l(fā)器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的編號(hào)，作為節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)。每一個(gè)收發(fā)器在連接上服務(wù)器后，都會(huì)向服務(wù)器發(fā)送一條注冊(cè)包，服務(wù)器收到注冊(cè)包后，將會(huì)存儲(chǔ)每一個(gè)收發(fā)器對(duì)應(yīng)的IP和端口，便于服務(wù)器對(duì)多個(gè)收發(fā)器進(jìn)行批量管理。服務(wù)器在給收發(fā)器發(fā)送請(qǐng)求幀后，若在20s內(nèi)沒有收到對(duì)應(yīng)收發(fā)器的響應(yīng)幀，則會(huì)再次發(fā)送該請(qǐng)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(qǐng)求。

3.2 RFID協(xié)議

單片機(jī)在低功耗模式下采取定時(shí)喚醒的方法，單片機(jī)每間隔時(shí)間T主動(dòng)喚醒時(shí)間t，在時(shí)間t內(nèi)若沒有收到任何數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)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(jìn)入睡眠模式。時(shí)間T之后再次喚醒，重復(fù)上述過程。在進(jìn)行通信的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)之間采取先發(fā)送喚醒幀后通信的方法。為了不使指令時(shí)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(gè)字節(jié)用來表示該幀的長度；第2個(gè)字節(jié)為該命令的功能碼，以執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)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(diǎn)編號(hào)；第7至10字節(jié)代表目的地址編號(hào)；數(shù)據(jù)域表示需要設(shè)置的參數(shù)信息，如節(jié)點(diǎn)編號(hào)、氣價(jià)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(yàn)。

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

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

4.1 表端程序設(shè)計(jì)

表端主程序流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)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(hào)，若有，則進(jìn)入中斷并喚醒。

4.2 收發(fā)器程序設(shè)計(jì)

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(jìn)入無線接收模式，GPRS模塊與燃?xì)夤痉?wù)器建立連接。然后進(jìn)入循環(huán)，判斷有無收到無線信號(hào)，若收到則通過GPRS模塊向燃?xì)夤竟芾硐到y(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(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要是服務(wù)器與燃?xì)獗黹g的通信測(cè)試以及燃?xì)獗淼墓臏y(cè)試。其中，燃?xì)獗矶说母髂K功耗測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由于計(jì)量模塊、液晶屏、閥門和蜂鳴器大部分時(shí)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(jī)部分。由于工商業(yè)用燃?xì)獗硇枰獣r(shí)?？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?xì)獗韱稳湛偣募s為1.4mAh，如果采用4節(jié)容量約1000mAh的普通5號(hào)堿性電池LR6AA1.5V串聯(lián)供電，電壓過低時(shí)（低于4.4V）燃?xì)獗頃?huì)主動(dòng)關(guān)閥，可計(jì)算出燃?xì)獗黼姵氐氖褂脡勖蛇_(dá)1-2年。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種分體式物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗?，闡述了分體式物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)方案，并完成了系統(tǒng)的軟、硬件及通信協(xié)議設(shè)計(jì)。通過分體式設(shè)計(jì)，在滿足低功耗要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼碾p向?qū)崟r(shí)通信，提高了燃?xì)獗淼目煽匦浴⒖煽啃?，大大提高了燃?xì)夤镜墓ぷ餍省?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]傅德基.智能燃?xì)獗淼默F(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016，23（5）：75-76.

[2]趙振中，廖紅春.智能燃?xì)獗憩F(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]. 煤氣與熱力，2014，34（7）：B29-31.

[3]Yao G， Zhang H， Chen Q. A wireless automatic meter reading system based on digital image process and ZigBee-3G[C].IEEE International Conference on System Science and Engineering. IEEE， 2014：128-132.

[4]陳軍，張帥旗.淺談物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硐到y(tǒng)在城市燃?xì)庵械膽?yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2014，3（15）：411-413.

[5]邵澤華.智能燃?xì)獗淼臒o線通信技術(shù)[J].煤氣與熱力，2016，36（3）：85-89.

[6]龔天平.LORA技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸[J].電子世界，2016，37（10）：115-117.