5位直讀燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點的低功耗設(shè)計

(南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與城市化進(jìn)程快速發(fā)展的大背景下，傳統(tǒng)全機(jī)械式燃?xì)獗碚鸩奖恍率饺細(xì)獗硭〈诖诉^程中無線抄表技術(shù)有了較大的發(fā)展。這種新興抄表系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)人工抄表方式存在的諸多弊端。如抄表方便，避免入戶抄表給用戶帶來麻煩[1]，同時提高了燃?xì)夤镜墓芾硇省？梢姛o線抄表技術(shù)具有很好的發(fā)展前景。

新式燃?xì)獗砉?jié)點一般采用電池供電，容量有限，同時膜式燃?xì)獗硎褂脡勖话阋鬄?～10年[2]。對于成千上萬的節(jié)點而言，經(jīng)常性入戶更換電池是完全不可行的。可見節(jié)點的低功耗設(shè)計是目前無線抄表系統(tǒng)中最棘手的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了一款5位直讀式燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點。從節(jié)點的軟硬件著手，達(dá)到低功耗設(shè)計要求，使節(jié)點使用壽命達(dá)到3～5年。

1 燃?xì)獗頍o線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

管道燃?xì)庥脩艏抑邪惭b的燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至采集器，采集器將數(shù)據(jù)傳給集中器，集中器通過3G移動網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心(傳輸方式根據(jù)安裝環(huán)境而定)，監(jiān)控中心將抄取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，向用戶發(fā)送收費(fèi)短信。燃?xì)獗頍o線抄表系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點的低功耗設(shè)計

2.1 節(jié)點低功耗設(shè)計方法

低功耗設(shè)計是無線抄表系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是衡量整個系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。因此，必須在節(jié)點設(shè)計的各個層面上采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，綜合應(yīng)用不同的設(shè)計方法，達(dá)到在降低節(jié)點功耗的同時仍保持節(jié)點的良好性能。但這兩者是相互矛盾的。因此，在制定系統(tǒng)設(shè)計方案時，需充分考慮節(jié)點的技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)，以便在性能理想的情況下達(dá)到降低節(jié)點功耗的目標(biāo)。

對任一個嵌入式系統(tǒng)來說，系統(tǒng)設(shè)計一般包括硬件和軟件設(shè)計兩部分。燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點的低功耗設(shè)計也不例外，即從節(jié)點的硬件和軟件方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1 節(jié)點的硬件低功耗設(shè)計

在實現(xiàn)節(jié)點相同功能的情況下，硬件電路的設(shè)計方案往往有多種，然而各方案的功耗也是不盡相同的。因此，在設(shè)計時需充分考慮影響節(jié)點低功耗設(shè)計的各種因素。具體可通過以下低功耗設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計。

① 盡量選擇使用CMOS邏輯電路(如微控制器MCU的選擇，外圍電路設(shè)計)。因為CMOS電路具有功耗低、集成度高、輸入電流低等優(yōu)點。

② 選擇具有低功耗、片內(nèi)資源相對豐富的MCU。在不影響節(jié)點整體性能的前提下，使用較低的電壓和相對低的頻率。理論依據(jù)動態(tài)功耗計算公式：

Pd=CTU2f

(1)

式中：Pd為芯片的動態(tài)功耗；CT為芯片的負(fù)載電容；U為芯片的工作電壓；f為芯片的工作頻率。

具體可采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(dynamic voltage supply，DVS)[3]技術(shù)來動態(tài)改變MCU的工作電壓與工作頻率，使MCU滿足節(jié)點可靠運(yùn)行的需求。還可結(jié)合使用動態(tài)功率管理(dynamic power management，DPM)技術(shù)來進(jìn)一步減少節(jié)點能耗。

③ 外圍電路的設(shè)計不僅要選擇低功耗的電子元件，還需充分考慮上拉/下拉電阻阻值。如在保證正常驅(qū)動后級電路的情況下，上拉電阻阻值需盡可能的大；在多數(shù)情況下處于低電平的信號，則考慮使用下拉電阻。以及根據(jù)實際情況對器件的懸空腳進(jìn)行接電源或接地處理。

④ 在電路設(shè)計上盡量不要使用多余的外設(shè)器件。可使用MCU內(nèi)部的資源來完成一些外設(shè)器件的功能(如時鐘芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片等)，達(dá)到降低節(jié)點功耗的目的。

⑤ 在無線模塊的設(shè)計上選用工作狀態(tài)與靜態(tài)消耗電流都較小、收發(fā)電流穩(wěn)定的射頻芯片[4]。同時，需考慮其具有傳輸距離遠(yuǎn)、穿墻能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠等特點。

⑥ 節(jié)點上不要焊接指示燈，如無線模塊工作指示燈、電源指示燈等。一個貼片式封裝的LED正常工作需10 mA左右的電流。若指示燈常亮是無法實現(xiàn)節(jié)點低功耗的。

⑦ 在保證節(jié)點性能的情況下，使用集成度高、質(zhì)量可靠的元件，減少節(jié)點電路中的元件數(shù)量，從而達(dá)到減少功耗的作用。

2.1.2 節(jié)點的軟件低功耗設(shè)計

充分考慮了節(jié)點硬件電路的低功耗設(shè)計之后，軟件低功耗設(shè)計的作用也是不容小覷的。具體需注意以下事項。

① 盡量多地使用宏定義來代替子程序[5]，可減少M(fèi)CU的操作。即宏定義在程序編譯時展開，MCU順序執(zhí)行指令；而調(diào)用子程序過程中，MCU會將當(dāng)前變量寄存器的值進(jìn)行存入和彈出堆棧處理。

② 采用中斷方式代替查詢方式，減少M(fèi)CU不間斷訪問I/O寄存器的時間，使MCU大部分時間處于休眠狀態(tài)。同時，中斷方式可使MCU在工作與休眠狀態(tài)之間自如切換。

③ 根據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸特性，配置無線射頻芯片的參數(shù)(如收發(fā)頻率、傳輸速率、工作模式等)，使無線模塊的性能和功耗達(dá)到最佳。

④ 程序代碼編寫中數(shù)據(jù)類型使用方面，盡量使用短的數(shù)據(jù)類型。如盡可能使用8位字符型數(shù)據(jù)代替16位整型數(shù)據(jù)。

⑤ 對系統(tǒng)程序進(jìn)行合理優(yōu)化，減少程序代碼冗余度，以便減少一些不必要的操作來提高代碼效率。

⑥ 在節(jié)點程序代碼中，要嚴(yán)格控制節(jié)點中各模塊的工作、休眠以及關(guān)閉的時間來降低功耗。

2.2 節(jié)點的硬件實現(xiàn)

燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其主要包括電源管理部分、MCU控制部分、無線模塊部分、JTAG接口部分以及光電直讀模塊部分。整個節(jié)點具有結(jié)構(gòu)簡單、計量精確、誤差小、功耗低等優(yōu)點。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 微控制器單元

對整個節(jié)點而言，MCU是節(jié)點功率消耗的主要來源之一，選擇一款適合節(jié)點的MCU則顯得相當(dāng)重要。因此，需要從多個方面加以綜合考慮。

本設(shè)計綜合考慮節(jié)點的功耗和性能后，選用的是TI公司推出的MSP430系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)是一款具有集成度高、片內(nèi)資源豐富、功耗極低等技術(shù)特點的16位單片機(jī)。本文所述節(jié)點使用的是MSP430F2272系列單片機(jī)[6]，工作電壓范圍為1.8～3.6 V，有5種低功耗模式可供選擇，在1 MHz、2.2 V活動狀態(tài)下消耗電流僅270 μA，待機(jī)模式下僅0.7 μA，而在休眠狀態(tài)下則降至0.1 μA；集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，如看門狗、定時器A/B、10位A/D以及4個8位并行端口等。

2.2.2 光電直讀模塊

節(jié)點的采集部分選用的是近幾年新興的直讀技術(shù)。具體工作原理是通過表內(nèi)的光電直讀模塊，利用紅外線對帶有透光槽的字輪進(jìn)行非接觸式掃描，得到與字輪讀數(shù)相對應(yīng)的狀態(tài)編碼，然后將其進(jìn)行相應(yīng)譯碼，得到與字輪窗口上相一致的數(shù)值。這種直讀技術(shù)具有計量準(zhǔn)確、誤差小、不受電磁場干擾等優(yōu)點。此外，在該過程中使用了一種絕對式編碼技術(shù)[7]。節(jié)點光電模塊模型圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點光電模塊模型圖

節(jié)點光電直讀模塊主要由貼片式封裝的紅外發(fā)射管與對應(yīng)型號的紅外接收管組成，兩者均勻分布在線路板上的360°圓周的正反面上，字輪上開有一定規(guī)則的透光槽。當(dāng)節(jié)點接收到抄表指令時，均勻分布的5個發(fā)射管將會循環(huán)點亮，同時對接收管的狀態(tài)進(jìn)行檢測。根據(jù)接收管是否接收到紅外光信號，對相應(yīng)的位置1或0。具體使用的是一種海明距離為1的絕對式編碼方式來記錄字輪轉(zhuǎn)動時的位置[8]，并結(jié)合使用一種超前進(jìn)位的編碼方式來解決進(jìn)位時的誤差問題。該節(jié)點設(shè)計選用的紅外發(fā)射管工作電流為10 mA，接收管接收紅外的反應(yīng)時間為30 ms。

2.2.3 無線模塊部分

考慮節(jié)點安裝地點的特殊性，對無線模塊的穿墻能力和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性有很高的要求，并且其功耗問題也是值得關(guān)注的重點。因此，無線模塊的射頻芯片選擇了素有“距離之王，穿墻之王”之稱的Si4432芯片[9]。Si4432是Silicon Labs公司推出的EZRadioPRO系列中一款高性能的無線ISM射頻芯片，具有集成度高、功耗低、工作頻段多等特點。其內(nèi)置分集式天線和支持跳頻；具有自動喚醒定時器、電池低電量探測器以及自動數(shù)據(jù)包處理等[10]；工作的頻率范圍為240～930 MHz，空曠地通信距離可達(dá)2 000 m；功耗極低，發(fā)射電流僅為27 mA(+11 dBm),接收電流為18.5 mA；接收靈敏度達(dá)到-118 dBm，最大發(fā)射功率可達(dá)+20 dBm。Si4432與MCU之間是以SPI總線連接，可根據(jù)設(shè)計需求來配置相關(guān)寄存器，使其達(dá)到最佳的收發(fā)狀態(tài)。

繪制基于Si4432無線模塊的PCB板時，要充分考慮走線之間的感性效應(yīng)，選擇封裝小、質(zhì)量高的電感、電容等，并處理好接入電源的濾波性能。這些操作對無線模塊的功耗與性能將產(chǎn)生很大的影響。

2.2.4 電源管理部分

5位直讀式燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點使用的是3.6 V的電池供電，電源管理芯片使用的是日本精工公司生產(chǎn)的S-T111B33。

芯片具有高達(dá)±1.0%精度的輸出電壓。在工作狀態(tài)下，電流損耗在50～90 μA；在關(guān)閉狀態(tài)下，電流損耗低至0.1～1.0 μA。芯片內(nèi)置電源開/關(guān)控制電路，可以確保電池具有很長的工作壽命。芯片具有很好的紋波抑制作用，在1.0 kHz下可達(dá)80 dB。外圍電路非常簡單，可減少不必要的外圍元件的損耗，并可為無線模塊的工作提供穩(wěn)定的供電電源。

2.2.5 電池電壓監(jiān)測

對于電池供電的節(jié)點來說，判斷何時更換電池顯得非常重要，因此需對電池電壓進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測。對于該節(jié)點而言，電池電壓的監(jiān)測并不需很高的實時性，可以選擇MCU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換來定時采集電池電壓。通過程序內(nèi)部設(shè)定的正常工作電壓值來進(jìn)行兩者之間的對比。如采集到的電池電壓值在設(shè)定的范圍之外，MCU會退出低功耗模式，向采集節(jié)點發(fā)送欠壓指令，再通過集中器，利用3G移動網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)傳至監(jiān)控中心，最終將需要更換電池的節(jié)點編號發(fā)送給工作人員。

2.3 節(jié)點的軟件實現(xiàn)

對于整個無線抄表系統(tǒng)的低功耗設(shè)計而言，節(jié)點的軟件低功耗設(shè)計作用很大。通過軟件可適時控制外圍模塊處于不同狀態(tài)。如控制何時打開光電直讀模塊進(jìn)行掃描、掃描次數(shù)以及無線模塊何時工作、何時關(guān)閉等。燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點的主要功能是與采集器或手持式抄表器進(jìn)行數(shù)據(jù)和操作指令的交換。節(jié)點上電后，首先初始化節(jié)點，經(jīng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)注冊完成后，啟動MCU內(nèi)部定時器A，MCU進(jìn)入休眠狀態(tài)。在設(shè)定時間到來時，初始化無線模塊，使其處于接收狀態(tài)。當(dāng)接收到抄表指令后，節(jié)點進(jìn)行光電模塊掃描，譯碼后的數(shù)據(jù)通過無線模塊傳至手抄器或者采集器。當(dāng)節(jié)點收到抄表成功的確認(rèn)信息時，停止向無線模塊供電，再次啟動定時器，進(jìn)入到低功耗模式。具體工作流程如圖4所示。

圖4 節(jié)點工作流程圖

3 節(jié)點測試結(jié)果

通過理論計算以及對5位直讀式燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點的現(xiàn)場測試，分析得出了各模塊在不同狀態(tài)下的能量損耗情況，具體如表1所示。

節(jié)點在工作狀態(tài)下的電流損耗為IA:

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

(2)

節(jié)點在休眠狀態(tài)下的電流損耗為IS:

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

以每個月抄表一次為例進(jìn)行分析(異常狀況這里不予考慮)。節(jié)點定時喚醒時間到，數(shù)據(jù)通過無線模塊傳至手持式抄表器或采集器耗費(fèi)的時間約為3.5 s。傳輸完成后節(jié)點會立刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，MCU運(yùn)行在低功耗模式，無線模塊處于關(guān)閉狀態(tài)。

工作狀態(tài)下的能量消耗為：

EA=105.570 mA×3.5 s=0.102 6 mAh

(3)

休眠狀態(tài)下的能量消耗為：

ES≈23 μA×(24×30)h=16.56 mAh

(4)

除上面的能量消耗需考慮之外，還需考慮電池電壓監(jiān)測部分的功耗。一般對電池電壓的A/D采樣需耗費(fèi)800 ms，電流消耗IA/D≈430 μA。以每月采樣60次為例，則需要的能量消耗為：

EA/D=800 ms×430 μA×60=0.005 7 mAh

(5)

以上3個部分的能量消耗綜合為：

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

(6)

由此可知，每個節(jié)點一年的能量消耗為：

E=EALL×12=200.019 6 mAh

(7)

根據(jù)節(jié)點的設(shè)計要求，選擇一節(jié)電壓為3.6 V、容量為1 000 mAh的電池為節(jié)點供電。通過上述數(shù)據(jù)分析可知，節(jié)點可以正常使用3.5～5年。

表1 節(jié)點各模塊的能量損耗測量情況

4 結(jié)束語

本設(shè)計給出了5位直讀式燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點低功耗設(shè)計的方法，并通過對節(jié)點的實際能量消耗情況的分析得出如下結(jié)論。該5位直讀式燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點不僅結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)采集精確、數(shù)據(jù)傳輸可靠，而且具有功耗超低、使用壽命長等特點，符合節(jié)點低功耗設(shè)計的要求。目前，設(shè)計的燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集節(jié)點已在南通市中南世紀(jì)花城小區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場測試，實際測試情況也證明了以上功能優(yōu)點。下一步的目標(biāo)是，在不影響節(jié)點性能的情況下，能耗方面能夠再有所突破。

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