超低功耗無線超聲波熱能表設(shè)計(jì)

王曉俊 徐 凱 周杏鵬

(東南大學(xué)復(fù)雜工程系統(tǒng)測量與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引言

超聲波熱能表因其精度高、壓損小、壽命長等特點(diǎn)，在我國北方廣大采暖城市被大規(guī)模應(yīng)用。為提高維護(hù)效率和信息管理水平，熱力管理部門迫切需要對熱能表實(shí)現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化管理。這不僅要求熱能表具有高準(zhǔn)確度、高可靠性和極低功耗等特點(diǎn)，同時還要求其具有便捷可靠的通信組網(wǎng)能力。

目前，絕大多數(shù)的熱能表均采用基于MBUS或RS-485總線的有線組網(wǎng)方式［1］。隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，其布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)并難以解決，而采用短距離無線通信技術(shù)的熱能表因其可較好地克服這一缺點(diǎn)，現(xiàn)已成為熱能表的發(fā)展趨勢。無線熱能表一般采用ZigBee無線通信技術(shù)［2－4］，其穿透能力弱，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有較高的要求，且難以實(shí)現(xiàn)1節(jié)內(nèi)置電池連續(xù)工作6年的需求，因而存在較大的局限性。因此，研究具有高精度、極低功耗、強(qiáng)穿透能力的無線超聲波熱能表具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。本文針對該儀表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其關(guān)鍵技術(shù)展開深入討論。

1 無線超聲波熱能測量原理

1.1 超聲波熱能表測量原理

超聲波熱能表測量原理是將2只配對的熱電阻Pt1000分別安裝在熱交換回路(散熱器)的進(jìn)水和回水管道上，用于測量進(jìn)回水溫度;將1對超聲波換能器以V型結(jié)構(gòu)安裝在進(jìn)水管道端，基于超聲波時差法原理得到瞬時體積流量 qv［5－6］，其表達(dá)式如下。

式中:K1為流量修正系數(shù);c為聲速;θ為入射角;L為超聲波從入射點(diǎn)到反射點(diǎn)的傳播距離;D為管徑;Δt為超聲波在順、逆流的傳播時間差。

由微處理器根據(jù)采集得到的流量和溫度信息，通過計(jì)算得到熱水經(jīng)過熱交換系統(tǒng)所釋放的實(shí)際熱量值［7－8］，其表達(dá)式如下。

式中:Q為釋放的熱量，kJ;K為熱修正系數(shù)，J/m3;ρ為水的密度，kg/m3;qv為流經(jīng)熱能表的瞬時體積流量，m3/s;Δh為進(jìn)出口溫度差對應(yīng)的熱焓值，kJ/kg;t為測量時間，s。其中，水的熱焓值和密度可通過查找實(shí)際溫度對應(yīng)的熱焓值表和密度表得到［9］。

1.2 433 MHz無線通信技術(shù)

隨著熱能表應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的人工管理或有線組網(wǎng)模式已難以滿足大規(guī)模熱能表信息管理的需求;而采用射頻技術(shù)的無線熱能表因組網(wǎng)便捷、易于維護(hù)，逐漸成為熱能表的發(fā)展趨勢。

我國可用的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)射頻頻率分為 2.4 GHz和 433 MHz。其中，2.4 GHz是國際公共頻段，包括ZigBee、藍(lán)牙、WiFi等無線通信均采用該頻段。該頻帶頻譜噪聲大、易受干擾。433 MHz頻段的頻譜相對純凈得多，相對于工作在2.4 GHz的ZigBee射頻通信，433 MHz射頻通信具有更高的靈敏度和穿透能力，并能實(shí)現(xiàn)更低的功耗［10］。本文研究的無線熱能表基于433 MHz實(shí)現(xiàn)短程射頻收發(fā)，參考工作在866 MHz的無線MBUS協(xié)議，創(chuàng)建了具有自組織能力的基于樹狀結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、中間節(jié)點(diǎn)少。在10 dBm發(fā)射功率下，本熱能表的無線通信距離戶內(nèi)達(dá)80 m以上，可以穿透2～3堵混凝土墻。該表的穿透能力優(yōu)于同等條件下采用ZigBee技術(shù)的熱能表，因而本系統(tǒng)采用的無線通信技術(shù)更適用于無線熱能表的實(shí)際推廣應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于低功耗MCU(MSP430F437)與高性能射頻收發(fā)器(CC1101)，設(shè)計(jì)了工作在433 MHz下的無線超聲波熱能表。

該熱能表的主要單元電路包括MCU(MSP430F437)及其輔助單元電路、基于精密時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDCGP2)的熱能測量電路、基于射頻收發(fā)器(CC1101)的無線收發(fā)電路。其中，MCU作為整個系統(tǒng)的控制核心，控制TDC-GP2進(jìn)行流量和溫度測量，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲、顯示和時鐘管理，并通過射頻收發(fā)器(CC1101)和平衡轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)433 MHz的無線通信。無線超聲波熱能表原理框圖如圖1所示。

圖1 無線超聲波熱能表原理框圖Fig.1 Principle of the wireless ultrasonic heat energy meter

2.1 TDC-GP2 熱能測量

本系統(tǒng)以時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP2為核心，實(shí)現(xiàn)高精度流量與溫度測量，并間接得到熱能。

2.1.1 流量測量

通過TDC-GP2自帶的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生以6個脈沖為一簇的1 MHz激勵信號。該激勵信號作為計(jì)時起始信號，當(dāng)接收到TDC-GP2的啟動腳啟動信號時，計(jì)時電路開始計(jì)時，同時該激勵信號經(jīng)過模擬開關(guān)施加給超聲波換能器產(chǎn)生聲波，聲波經(jīng)傳播后被另一超聲波換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號。由于回波信號是具有較大噪聲的毫伏級信號，因此，需要經(jīng)過隔直電容、放大器、帶通濾波器和比較器，產(chǎn)生低抖動的脈沖信號。該信號接TDC-GP2的停止腳作為計(jì)時結(jié)束信號。MCU讀取TDC-GP2寄存器中相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到此次超聲波傳播的時間。在測量過程中，MCU通過切換收/發(fā)模擬開關(guān)改變超聲波的傳播方向，分別得到超聲波順流和逆流的傳播時間，再計(jì)算得到實(shí)際流量。

2.1.2 溫度測量

TDC-GP2通過控制同一電容分別對溫度傳感器Pt1000和1 kΩ精密電阻放電，測量其在相同電壓變化時的放電時長比值。經(jīng)過計(jì)算得到Pt1000的電阻值，再通過查找Pt1000分度表得到實(shí)際溫度值，其測量精度可達(dá)0.01 K。在完成流量與溫度測量后，計(jì)算得到實(shí)際熱能。

2.2 CC1101無線收發(fā)設(shè)計(jì)電路

本系統(tǒng)基于TI公司生產(chǎn)的高性能射頻收發(fā)器CC1101實(shí)現(xiàn)433 MHz下的無線通信。基于CC1101的射頻收發(fā)電路如圖2所示。

圖2 CC1101無線收發(fā)電路原理圖Fig.2 Schematic of wireless transceiver based on CC1101

3 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

對于家用熱能表的設(shè)計(jì)，不僅要考慮降低成本，更重要的是降低功耗。按照1節(jié)2 800 mA電池正常工作6年以上的時間要求［9］，熱能表的年平均電流不能大于26 μA。而對于無線超聲波熱能表而言，由于存在電流較大的超聲波測時電路、調(diào)理電路和無線收發(fā)電路，其低功耗設(shè)計(jì)十分困難，滿足如此低功耗要求的無線熱能表一直未見報(bào)導(dǎo)。

3.1 電源動態(tài)分配

系統(tǒng)電源分配如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電源分配圖Fig.3 Power distribution of the system

為實(shí)現(xiàn)熱能表的極低功耗，本系統(tǒng)按單元電路的工作狀態(tài)進(jìn)行不同的電源管理。

對于存儲器、時鐘管理等一直運(yùn)行的電路，通過采用芯片選擇的方式保持本身功耗極低;對于MSP430F437電路，通過采用低速時鐘(32.768 kHz)工作，且在測量、通信間隔處于模式為LPM3的休眠狀態(tài);對于TDC-GP2電路，在測量時采用高速時鐘，以保證測時效率與精度，在測量間隔則使用低速時鐘，以大幅降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)通過檢測進(jìn)出口管道內(nèi)溫度差ΔT來判斷是否處于供暖期。當(dāng)ΔT＜3 K時，則認(rèn)為處于非供暖期，此時需要停止流量檢測，以進(jìn)一步節(jié)約能量;對于模擬測量電路和無線射頻電路，在不工作時通過低壓降、低漏電流的MOSFET切斷電源，因其工作時間很短，故平均電流極小。對于家庭用的熱能表而言，其在供暖期以外通常不需要進(jìn)行熱能測量，因此，系統(tǒng)每隔30 s測量一次進(jìn)出口管道的溫度差ΔT。當(dāng)該溫度差ΔT小于3 K時，則認(rèn)為處于非供暖期而停止流量檢測等功能，以進(jìn)一步節(jié)約能量。基于該動態(tài)分配的熱能表單元電路功耗如表1所示。

表1 熱能表單元電路功耗分配表Tab.1 Power consumption distribution for unit circuit of the heat energy meter

由表1可知，熱能表平均功耗低于13 μA，則一節(jié) 2 800 mA的電池可實(shí)現(xiàn)20個供暖期的可靠工作。

3.2 流量驅(qū)動的無線通信

CC1101在發(fā)送模式時電流為29.2 mA(10 dBm)，它是系統(tǒng)中電流最大的部件，因此，如何降低射頻通信的功耗是本儀表整機(jī)低功耗設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。短距離無線通信普遍采用定時發(fā)送、其他時間休眠的方案來降低功耗。

針對此問題，本系統(tǒng)根據(jù)熱能表的基本信息是累積流量的特點(diǎn)，通過設(shè)定閾值的方法加以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)累積流量變化量超過閾值時發(fā)送一次數(shù)據(jù)，則大流量時發(fā)送次數(shù)要大于小流量時的發(fā)送次數(shù)，從而不丟失流量信息;當(dāng)瞬時流量非常小時，累積流量變化將十分緩慢，因而單純以累積流量變化閾值，將導(dǎo)致其發(fā)送間隔太大，影響數(shù)據(jù)實(shí)時更新。

為此，我們通過采用將最大通信間隔周期與累積流量變化閾值結(jié)合使用的方法加以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在瞬時流量非常小時，盡管累積流量變化閾值還未達(dá)到，只要通信間隔時間大于最大通信間隔周期，就啟動一次無線發(fā)送電路，將累積流量等數(shù)據(jù)發(fā)送給集中控制器，然后由集中控制器發(fā)送至遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)。這種基于流量和最大通信間隔周期驅(qū)動的無線通信平均每天僅發(fā)送24次，所以CC1101的平均電流僅為0.1 μA。

本儀表在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，應(yīng)保證所有電路可在2.7～3 V范圍內(nèi)正常工作，并采用具有極低自放電電流的鋰電池供電，從而保證電池供電壽命可達(dá)20年以上。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超聲波熱能表系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

熱能表在上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并完成傳感器、存儲器、TDC-GP2等關(guān)鍵部件的自檢;然后定時檢測管道進(jìn)出水溫度，當(dāng)這兩者溫差大于3 K時開啟流量定時測量。本系統(tǒng)采用每隔2 s測量一次流量，每隔30 s測量一次溫度。在各項(xiàng)工作完成后系統(tǒng)將進(jìn)入休眠，等待定時器或按鍵中斷喚醒以開始下一輪工作。

5 結(jié)束語

當(dāng)累計(jì)流量變化大于預(yù)設(shè)的閾值或兩次通信間隔達(dá)到最大預(yù)定時長時，自動打開無線通信電源，設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊。

本文研究的無線超聲波熱能表，采用V型反射管道實(shí)現(xiàn)高精度熱能測量;采用動態(tài)電源管理策略和流量驅(qū)動無線發(fā)送技術(shù)，大大降低了系統(tǒng)的整體功耗;一節(jié)2 800 mA的電池可保證正常工作20個供暖期。同時，采用基于433 MHz的射頻通信技術(shù)，其無線穿透能力較2.4 GHz的ZigBee技術(shù)大大改善，很好地克服了現(xiàn)有無線熱能表難以實(shí)際推廣應(yīng)用的瓶頸，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，本文介紹的熱能表已經(jīng)通過江蘇省技術(shù)監(jiān)督局指定的法定檢測機(jī)構(gòu)檢測和型式試驗(yàn)。該超低功耗無線超聲波熱能表的檢測精度達(dá)2級。

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