超低功耗无线超声波热能表设计

王晓俊 徐 凯 周杏鹏

(东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室，江苏 南京 210096)

0 引言

超声波热能表因其精度高、压损小、寿命长等特点，在我国北方广大采暖城市被大规模应用。为提高维护效率和信息管理水平，热力管理部门迫切需要对热能表实现区域网络化管理。这不仅要求热能表具有高准确度、高可靠性和极低功耗等特点，同时还要求其具有便捷可靠的通信组网能力。

目前，绝大多数的热能表均采用基于MBUS或RS-485总线的有线组网方式［1］。随着应用规模的扩大，其布线复杂、维护困难等缺点逐渐显现并难以解决，而采用短距离无线通信技术的热能表因其可较好地克服这一缺点，现已成为热能表的发展趋势。无线热能表一般采用ZigBee无线通信技术［2－4］，其穿透能力弱，对网络环境具有较高的要求，且难以实现1节内置电池连续工作6年的需求，因而存在较大的局限性。因此，研究具有高精度、极低功耗、强穿透能力的无线超声波热能表具有十分重要的应用价值。本文针对该仪表的系统设计方案及其关键技术展开深入讨论。

1 无线超声波热能测量原理

1.1 超声波热能表测量原理

超声波热能表测量原理是将2只配对的热电阻Pt1000分别安装在热交换回路(散热器)的进水和回水管道上，用于测量进回水温度;将1对超声波换能器以V型结构安装在进水管道端，基于超声波时差法原理得到瞬时体积流量 qv［5－6］，其表达式如下。

式中:K1为流量修正系数;c为声速;θ为入射角;L为超声波从入射点到反射点的传播距离;D为管径;Δt为超声波在顺、逆流的传播时间差。

由微处理器根据采集得到的流量和温度信息，通过计算得到热水经过热交换系统所释放的实际热量值［7－8］，其表达式如下。

式中:Q为释放的热量，kJ;K为热修正系数，J/m3;ρ为水的密度，kg/m3;qv为流经热能表的瞬时体积流量，m3/s;Δh为进出口温度差对应的热焓值，kJ/kg;t为测量时间，s。其中，水的热焓值和密度可通过查找实际温度对应的热焓值表和密度表得到［9］。

1.2 433 MHz无线通信技术

随着热能表应用规模的不断扩大，传统的人工管理或有线组网模式已难以满足大规模热能表信息管理的需求;而采用射频技术的无线热能表因组网便捷、易于维护，逐渐成为热能表的发展趋势。

我国可用的ISM(工业、科学和医疗)射频频率分为 2.4 GHz和 433 MHz。其中，2.4 GHz是国际公共频段，包括ZigBee、蓝牙、WiFi等无线通信均采用该频段。该频带频谱噪声大、易受干扰。433 MHz频段的频谱相对纯净得多，相对于工作在2.4 GHz的ZigBee射频通信，433 MHz射频通信具有更高的灵敏度和穿透能力，并能实现更低的功耗［10］。本文研究的无线热能表基于433 MHz实现短程射频收发，参考工作在866 MHz的无线MBUS协议，创建了具有自组织能力的基于树状结构的无线网络协议，网络结构简单、中间节点少。在10 dBm发射功率下，本热能表的无线通信距离户内达80 m以上，可以穿透2～3堵混凝土墙。该表的穿透能力优于同等条件下采用ZigBee技术的热能表，因而本系统采用的无线通信技术更适用于无线热能表的实际推广应用。

2 设计方案及关键电路设计

本系统基于低功耗MCU(MSP430F437)与高性能射频收发器(CC1101)，设计了工作在433 MHz下的无线超声波热能表。

该热能表的主要单元电路包括MCU(MSP430F437)及其辅助单元电路、基于精密时间数字转换器(TDCGP2)的热能测量电路、基于射频收发器(CC1101)的无线收发电路。其中，MCU作为整个系统的控制核心，控制TDC-GP2进行流量和温度测量，实现测量数据的分析、处理、存储、显示和时钟管理，并通过射频收发器(CC1101)和平衡转换电路实现433 MHz的无线通信。无线超声波热能表原理框图如图1所示。

图1 无线超声波热能表原理框图Fig.1 Principle of the wireless ultrasonic heat energy meter

2.1 TDC-GP2 热能测量

本系统以时间数字转换器TDC-GP2为核心，实现高精度流量与温度测量，并间接得到热能。

2.1.1 流量测量

通过TDC-GP2自带的脉冲发生器产生以6个脉冲为一簇的1 MHz激励信号。该激励信号作为计时起始信号，当接收到TDC-GP2的启动脚启动信号时，计时电路开始计时，同时该激励信号经过模拟开关施加给超声波换能器产生声波，声波经传播后被另一超声波换能器接收并转换成电信号。由于回波信号是具有较大噪声的毫伏级信号，因此，需要经过隔直电容、放大器、带通滤波器和比较器，产生低抖动的脉冲信号。该信号接TDC-GP2的停止脚作为计时结束信号。MCU读取TDC-GP2寄存器中相应数据，通过计算得到此次超声波传播的时间。在测量过程中，MCU通过切换收/发模拟开关改变超声波的传播方向，分别得到超声波顺流和逆流的传播时间，再计算得到实际流量。

2.1.2 温度测量

TDC-GP2通过控制同一电容分别对温度传感器Pt1000和1 kΩ精密电阻放电，测量其在相同电压变化时的放电时长比值。经过计算得到Pt1000的电阻值，再通过查找Pt1000分度表得到实际温度值，其测量精度可达0.01 K。在完成流量与温度测量后，计算得到实际热能。

2.2 CC1101无线收发设计电路

本系统基于TI公司生产的高性能射频收发器CC1101实现433 MHz下的无线通信。基于CC1101的射频收发电路如图2所示。

图2 CC1101无线收发电路原理图Fig.2 Schematic of wireless transceiver based on CC1101

3 系统低功耗设计

对于家用热能表的设计，不仅要考虑降低成本，更重要的是降低功耗。按照1节2 800 mA电池正常工作6年以上的时间要求［9］，热能表的年平均电流不能大于26 μA。而对于无线超声波热能表而言，由于存在电流较大的超声波测时电路、调理电路和无线收发电路，其低功耗设计十分困难，满足如此低功耗要求的无线热能表一直未见报导。

3.1 电源动态分配

系统电源分配如图3所示。

图3 系统电源分配图Fig.3 Power distribution of the system

为实现热能表的极低功耗，本系统按单元电路的工作状态进行不同的电源管理。

对于存储器、时钟管理等一直运行的电路，通过采用芯片选择的方式保持本身功耗极低;对于MSP430F437电路，通过采用低速时钟(32.768 kHz)工作，且在测量、通信间隔处于模式为LPM3的休眠状态;对于TDC-GP2电路，在测量时采用高速时钟，以保证测时效率与精度，在测量间隔则使用低速时钟，以大幅降低系统功耗。系统通过检测进出口管道内温度差ΔT来判断是否处于供暖期。当ΔT＜3 K时，则认为处于非供暖期，此时需要停止流量检测，以进一步节约能量;对于模拟测量电路和无线射频电路，在不工作时通过低压降、低漏电流的MOSFET切断电源，因其工作时间很短，故平均电流极小。对于家庭用的热能表而言，其在供暖期以外通常不需要进行热能测量，因此，系统每隔30 s测量一次进出口管道的温度差ΔT。当该温度差ΔT小于3 K时，则认为处于非供暖期而停止流量检测等功能，以进一步节约能量。基于该动态分配的热能表单元电路功耗如表1所示。

表1 热能表单元电路功耗分配表Tab.1 Power consumption distribution for unit circuit of the heat energy meter

由表1可知，热能表平均功耗低于13 μA，则一节 2 800 mA的电池可实现20个供暖期的可靠工作。

3.2 流量驱动的无线通信

CC1101在发送模式时电流为29.2 mA(10 dBm)，它是系统中电流最大的部件，因此，如何降低射频通信的功耗是本仪表整机低功耗设计的重点。短距离无线通信普遍采用定时发送、其他时间休眠的方案来降低功耗。

针对此问题，本系统根据热能表的基本信息是累积流量的特点，通过设定阈值的方法加以实现。当累积流量变化量超过阈值时发送一次数据，则大流量时发送次数要大于小流量时的发送次数，从而不丢失流量信息;当瞬时流量非常小时，累积流量变化将十分缓慢，因而单纯以累积流量变化阈值，将导致其发送间隔太大，影响数据实时更新。

为此，我们通过采用将最大通信间隔周期与累积流量变化阈值结合使用的方法加以实现。当在瞬时流量非常小时，尽管累积流量变化阈值还未达到，只要通信间隔时间大于最大通信间隔周期，就启动一次无线发送电路，将累积流量等数据发送给集中控制器，然后由集中控制器发送至远程信息管理系统。这种基于流量和最大通信间隔周期驱动的无线通信平均每天仅发送24次，所以CC1101的平均电流仅为0.1 μA。

本仪表在系统设计时，应保证所有电路可在2.7～3 V范围内正常工作，并采用具有极低自放电电流的锂电池供电，从而保证电池供电寿命可达20年以上。

4 系统软件设计

超声波热能表系统的主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图Fig.4 Flowchart of the main program

热能表在上电后首先进行系统初始化，并完成传感器、存储器、TDC-GP2等关键部件的自检;然后定时检测管道进出水温度，当这两者温差大于3 K时开启流量定时测量。本系统采用每隔2 s测量一次流量，每隔30 s测量一次温度。在各项工作完成后系统将进入休眠，等待定时器或按键中断唤醒以开始下一轮工作。

5 结束语

当累计流量变化大于预设的阈值或两次通信间隔达到最大预定时长时，自动打开无线通信电源，设置参数，进行网络注册。

本文研究的无线超声波热能表，采用V型反射管道实现高精度热能测量;采用动态电源管理策略和流量驱动无线发送技术，大大降低了系统的整体功耗;一节2 800 mA的电池可保证正常工作20个供暖期。同时，采用基于433 MHz的射频通信技术，其无线穿透能力较2.4 GHz的ZigBee技术大大改善，很好地克服了现有无线热能表难以实际推广应用的瓶颈，具有广阔的应用前景。

目前，本文介绍的热能表已经通过江苏省技术监督局指定的法定检测机构检测和型式试验。该超低功耗无线超声波热能表的检测精度达2级。

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