5位直读燃气表数据采集节点的低功耗设计

(南通大学电子信息学院，江苏 南通 226019)

0 引言

在物联网技术与城市化进程快速发展的大背景下，传统全机械式燃气表正逐步被新式燃气表所取代，在此过程中无线抄表技术有了较大的发展。这种新兴抄表系统克服了传统人工抄表方式存在的诸多弊端。如抄表方便，避免入户抄表给用户带来麻烦[1]，同时提高了燃气公司的管理效率。可见无线抄表技术具有很好的发展前景。

新式燃气表节点一般采用电池供电，容量有限，同时膜式燃气表使用寿命一般要求为6～10年[2]。对于成千上万的节点而言，经常性入户更换电池是完全不可行的。可见节点的低功耗设计是目前无线抄表系统中最棘手的关键技术之一。本文介绍了一款5位直读式燃气表数据采集节点。从节点的软硬件着手，达到低功耗设计要求，使节点使用寿命达到3～5年。

1 燃气表无线抄表系统结构

管道燃气用户家中安装的燃气表数据采集节点通过无线传感器网络将数据传至采集器，采集器将数据传给集中器，集中器通过3G移动网络或互联网将数据传至监控中心(传输方式根据安装环境而定)，监控中心将抄取的数据进行处理后，向用户发送收费短信。燃气表无线抄表系统的系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 燃气表数据采集节点的低功耗设计

2.1 节点低功耗设计方法

低功耗设计是无线抄表系统设计中的关键技术之一，它是衡量整个系统的重要性能指标。因此，必须在节点设计的各个层面上采用适当的技术，综合应用不同的设计方法，达到在降低节点功耗的同时仍保持节点的良好性能。但这两者是相互矛盾的。因此，在制定系统设计方案时，需充分考虑节点的技术指标和参数，以便在性能理想的情况下达到降低节点功耗的目标。

对任一个嵌入式系统来说，系统设计一般包括硬件和软件设计两部分。燃气表数据采集节点的低功耗设计也不例外，即从节点的硬件和软件方面进行详细分析。

2.1.1 节点的硬件低功耗设计

在实现节点相同功能的情况下，硬件电路的设计方案往往有多种，然而各方案的功耗也是不尽相同的。因此，在设计时需充分考虑影响节点低功耗设计的各种因素。具体可通过以下低功耗设计方法进行设计。

① 尽量选择使用CMOS逻辑电路(如微控制器MCU的选择，外围电路设计)。因为CMOS电路具有功耗低、集成度高、输入电流低等优点。

② 选择具有低功耗、片内资源相对丰富的MCU。在不影响节点整体性能的前提下，使用较低的电压和相对低的频率。理论依据动态功耗计算公式：

Pd=CTU2f

(1)

式中：Pd为芯片的动态功耗；CT为芯片的负载电容；U为芯片的工作电压；f为芯片的工作频率。

具体可采用动态电压调节(dynamic voltage supply，DVS)[3]技术来动态改变MCU的工作电压与工作频率，使MCU满足节点可靠运行的需求。还可结合使用动态功率管理(dynamic power management，DPM)技术来进一步减少节点能耗。

③ 外围电路的设计不仅要选择低功耗的电子元件，还需充分考虑上拉/下拉电阻阻值。如在保证正常驱动后级电路的情况下，上拉电阻阻值需尽可能的大；在多数情况下处于低电平的信号，则考虑使用下拉电阻。以及根据实际情况对器件的悬空脚进行接电源或接地处理。

④ 在电路设计上尽量不要使用多余的外设器件。可使用MCU内部的资源来完成一些外设器件的功能(如时钟芯片、A/D转换芯片等)，达到降低节点功耗的目的。

⑤ 在无线模块的设计上选用工作状态与静态消耗电流都较小、收发电流稳定的射频芯片[4]。同时，需考虑其具有传输距离远、穿墙能力强、数据传输可靠等特点。

⑥ 节点上不要焊接指示灯，如无线模块工作指示灯、电源指示灯等。一个贴片式封装的LED正常工作需10 mA左右的电流。若指示灯常亮是无法实现节点低功耗的。

⑦ 在保证节点性能的情况下，使用集成度高、质量可靠的元件，减少节点电路中的元件数量，从而达到减少功耗的作用。

2.1.2 节点的软件低功耗设计

充分考虑了节点硬件电路的低功耗设计之后，软件低功耗设计的作用也是不容小觑的。具体需注意以下事项。

① 尽量多地使用宏定义来代替子程序[5]，可减少MCU的操作。即宏定义在程序编译时展开，MCU顺序执行指令；而调用子程序过程中，MCU会将当前变量寄存器的值进行存入和弹出堆栈处理。

② 采用中断方式代替查询方式，减少MCU不间断访问I/O寄存器的时间，使MCU大部分时间处于休眠状态。同时，中断方式可使MCU在工作与休眠状态之间自如切换。

③ 根据节点数据传输特性，配置无线射频芯片的参数(如收发频率、传输速率、工作模式等)，使无线模块的性能和功耗达到最佳。

④ 程序代码编写中数据类型使用方面，尽量使用短的数据类型。如尽可能使用8位字符型数据代替16位整型数据。

⑤ 对系统程序进行合理优化，减少程序代码冗余度，以便减少一些不必要的操作来提高代码效率。

⑥ 在节点程序代码中，要严格控制节点中各模块的工作、休眠以及关闭的时间来降低功耗。

2.2 节点的硬件实现

燃气表数据采集节点硬件结构框图如图2所示。其主要包括电源管理部分、MCU控制部分、无线模块部分、JTAG接口部分以及光电直读模块部分。整个节点具有结构简单、计量精确、误差小、功耗低等优点。

图2 节点硬件结构框图

2.2.1 微控制器单元

对整个节点而言，MCU是节点功率消耗的主要来源之一，选择一款适合节点的MCU则显得相当重要。因此，需要从多个方面加以综合考虑。

本设计综合考虑节点的功耗和性能后，选用的是TI公司推出的MSP430系列单片机。该系列单片机是一款具有集成度高、片内资源丰富、功耗极低等技术特点的16位单片机。本文所述节点使用的是MSP430F2272系列单片机[6]，工作电压范围为1.8～3.6 V，有5种低功耗模式可供选择，在1 MHz、2.2 V活动状态下消耗电流仅270 μA，待机模式下仅0.7 μA，而在休眠状态下则降至0.1 μA；集成了丰富的片内外设，如看门狗、定时器A/B、10位A/D以及4个8位并行端口等。

2.2.2 光电直读模块

节点的采集部分选用的是近几年新兴的直读技术。具体工作原理是通过表内的光电直读模块，利用红外线对带有透光槽的字轮进行非接触式扫描，得到与字轮读数相对应的状态编码，然后将其进行相应译码，得到与字轮窗口上相一致的数值。这种直读技术具有计量准确、误差小、不受电磁场干扰等优点。此外，在该过程中使用了一种绝对式编码技术[7]。节点光电模块模型图如图3所示。

图3 节点光电模块模型图

节点光电直读模块主要由贴片式封装的红外发射管与对应型号的红外接收管组成，两者均匀分布在线路板上的360°圆周的正反面上，字轮上开有一定规则的透光槽。当节点接收到抄表指令时，均匀分布的5个发射管将会循环点亮，同时对接收管的状态进行检测。根据接收管是否接收到红外光信号，对相应的位置1或0。具体使用的是一种海明距离为1的绝对式编码方式来记录字轮转动时的位置[8]，并结合使用一种超前进位的编码方式来解决进位时的误差问题。该节点设计选用的红外发射管工作电流为10 mA，接收管接收红外的反应时间为30 ms。

2.2.3 无线模块部分

考虑节点安装地点的特殊性，对无线模块的穿墙能力和传输数据的可靠性有很高的要求，并且其功耗问题也是值得关注的重点。因此，无线模块的射频芯片选择了素有“距离之王，穿墙之王”之称的Si4432芯片[9]。Si4432是Silicon Labs公司推出的EZRadioPRO系列中一款高性能的无线ISM射频芯片，具有集成度高、功耗低、工作频段多等特点。其内置分集式天线和支持跳频；具有自动唤醒定时器、电池低电量探测器以及自动数据包处理等[10]；工作的频率范围为240～930 MHz，空旷地通信距离可达2 000 m；功耗极低，发射电流仅为27 mA(+11 dBm),接收电流为18.5 mA；接收灵敏度达到-118 dBm，最大发射功率可达+20 dBm。Si4432与MCU之间是以SPI总线连接，可根据设计需求来配置相关寄存器，使其达到最佳的收发状态。

绘制基于Si4432无线模块的PCB板时，要充分考虑走线之间的感性效应，选择封装小、质量高的电感、电容等，并处理好接入电源的滤波性能。这些操作对无线模块的功耗与性能将产生很大的影响。

2.2.4 电源管理部分

5位直读式燃气表数据采集节点使用的是3.6 V的电池供电，电源管理芯片使用的是日本精工公司生产的S-T111B33。

芯片具有高达±1.0%精度的输出电压。在工作状态下，电流损耗在50～90 μA；在关闭状态下，电流损耗低至0.1～1.0 μA。芯片内置电源开/关控制电路，可以确保电池具有很长的工作寿命。芯片具有很好的纹波抑制作用，在1.0 kHz下可达80 dB。外围电路非常简单，可减少不必要的外围元件的损耗，并可为无线模块的工作提供稳定的供电电源。

2.2.5 电池电压监测

对于电池供电的节点来说，判断何时更换电池显得非常重要，因此需对电池电压进行严格监测。对于该节点而言，电池电压的监测并不需很高的实时性，可以选择MCU内部的A/D转换来定时采集电池电压。通过程序内部设定的正常工作电压值来进行两者之间的对比。如采集到的电池电压值在设定的范围之外，MCU会退出低功耗模式，向采集节点发送欠压指令，再通过集中器，利用3G移动网络或互联网传至监控中心，最终将需要更换电池的节点编号发送给工作人员。

2.3 节点的软件实现

对于整个无线抄表系统的低功耗设计而言，节点的软件低功耗设计作用很大。通过软件可适时控制外围模块处于不同状态。如控制何时打开光电直读模块进行扫描、扫描次数以及无线模块何时工作、何时关闭等。燃气表数据采集节点的主要功能是与采集器或手持式抄表器进行数据和操作指令的交换。节点上电后，首先初始化节点，经相关网络注册完成后，启动MCU内部定时器A，MCU进入休眠状态。在设定时间到来时，初始化无线模块，使其处于接收状态。当接收到抄表指令后，节点进行光电模块扫描，译码后的数据通过无线模块传至手抄器或者采集器。当节点收到抄表成功的确认信息时，停止向无线模块供电，再次启动定时器，进入到低功耗模式。具体工作流程如图4所示。

图4 节点工作流程图

3 节点测试结果

通过理论计算以及对5位直读式燃气表数据采集节点的现场测试，分析得出了各模块在不同状态下的能量损耗情况，具体如表1所示。

节点在工作状态下的电流损耗为IA:

IA≈(410 μA+580 μA)/2+(50 mA+100 mA)/2+30 mA+(55 μA+95 μA)/2=105.570 mA

(2)

节点在休眠状态下的电流损耗为IS:

IS≈(1.0 μA+1.6 μA)/2+0.5 μA+1.2 μA+20 μA=23 μA

以每个月抄表一次为例进行分析(异常状况这里不予考虑)。节点定时唤醒时间到，数据通过无线模块传至手持式抄表器或采集器耗费的时间约为3.5 s。传输完成后节点会立刻进入休眠状态，MCU运行在低功耗模式，无线模块处于关闭状态。

工作状态下的能量消耗为：

EA=105.570 mA×3.5 s=0.102 6 mAh

(3)

休眠状态下的能量消耗为：

ES≈23 μA×(24×30)h=16.56 mAh

(4)

除上面的能量消耗需考虑之外，还需考虑电池电压监测部分的功耗。一般对电池电压的A/D采样需耗费800 ms，电流消耗IA/D≈430 μA。以每月采样60次为例，则需要的能量消耗为：

EA/D=800 ms×430 μA×60=0.005 7 mAh

(5)

以上3个部分的能量消耗综合为：

EALL=EA+ES+EA/D=16.668 3 mAh

(6)

由此可知，每个节点一年的能量消耗为：

E=EALL×12=200.019 6 mAh

(7)

根据节点的设计要求，选择一节电压为3.6 V、容量为1 000 mAh的电池为节点供电。通过上述数据分析可知，节点可以正常使用3.5～5年。

表1 节点各模块的能量损耗测量情况

4 结束语

本设计给出了5位直读式燃气表数据采集节点低功耗设计的方法，并通过对节点的实际能量消耗情况的分析得出如下结论。该5位直读式燃气表数据采集节点不仅结构简单、数据采集精确、数据传输可靠，而且具有功耗超低、使用寿命长等特点，符合节点低功耗设计的要求。目前，设计的燃气表数据采集节点已在南通市中南世纪花城小区进行现场测试，实际测试情况也证明了以上功能优点。下一步的目标是，在不影响节点性能的情况下，能耗方面能够再有所突破。

[1] 赵勇，苏显渝.光电直读式无线自动抄表预收费系统[J].光电工程，2010，37(12)：147-150.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.JJG 577-2005 中华人民共和国国家计量检定规程[S].2005-12-20.

[3] 张季姬,袁明亮,章坚武.无线传感器网络节点低功耗的研究[J].杭州电子科技大学学报,2007,27(3):29-32.

[4] 崔洋,姜宇,钟丽鸿,等.数字远传燃气表的低功耗设计与实现[J].传感技术学报,2010,23(2):209-214.

[5] 郑朝霞.无线传感器网络节点芯片关键技术的研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2008.

[6] Texas Instruments.MSP430x22x2 family user’s guide[EB/OL].[2012-05-28].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f2272.pdf.

[7] 陈蓉素,李志明.一种新型的字轮数字识别方法及自动抄表系统[J].电测与仪表,2007,44(8):28-36.

[8] 吕冬华,林贤贤,冯军,等.基于WSN的燃气表自动抄表系统设计[J].现代电子技术,2012,35(3):161-163.

[9] 李正民,王建辉,刘伟伟.基于Si4432的无线射频通信模块的设计与实现[J].测控技术,2012,31(4):40-43.

[10]Silicon Labs.SI4430/31/32 ISM transceiver data-sheet[M].Silicon Labs,2010.