超低功耗無線超聲波熱能表設計

王曉俊 徐 凱 周杏鵬

(東南大學復雜工程系統測量與控制教育部重點實驗室，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，在我國北方廣大采暖城市被大規模應用。為提高維護效率和信息管理水平，熱力管理部門迫切需要對熱能表實現區域網絡化管理。這不僅要求熱能表具有高準確度、高可靠性和極低功耗等特點，同時還要求其具有便捷可靠的通信組網能力。

目前，絕大多數的熱能表均采用基于MBUS或RS-485總線的有線組網方式［1］。隨著應用規模的擴大，其布線復雜、維護困難等缺點逐漸顯現并難以解決，而采用短距離無線通信技術的熱能表因其可較好地克服這一缺點，現已成為熱能表的發展趨勢。無線熱能表一般采用ZigBee無線通信技術［2－4］，其穿透能力弱，對網絡環境具有較高的要求，且難以實現1節內置電池連續工作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、強穿透能力的無線超聲波熱能表具有十分重要的應用價值。本文針對該儀表的系統設計方案及其關鍵技術展開深入討論。

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)的進水和回水管道上，用于測量進回水溫度;將1對超聲波換能器以V型結構安裝在進水管道端，基于超聲波時差法原理得到瞬時體積流量 qv［5－6］，其表達式如下。

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

由微處理器根據采集得到的流量和溫度信息，通過計算得到熱水經過熱交換系統所釋放的實際熱量值［7－8］，其表達式如下。

式中:Q為釋放的熱量，kJ;K為熱修正系數，J/m3;ρ為水的密度，kg/m3;qv為流經熱能表的瞬時體積流量，m3/s;Δh為進出口溫度差對應的熱焓值，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際溫度對應的熱焓值表和密度表得到［9］。

1.2 433 MHz無線通信技術

隨著熱能表應用規模的不斷擴大，傳統的人工管理或有線組網模式已難以滿足大規模熱能表信息管理的需求;而采用射頻技術的無線熱能表因組網便捷、易于維護，逐漸成為熱能表的發展趨勢。

我國可用的ISM(工業、科學和醫療)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，并能實現更低的功耗［10］。本文研究的無線熱能表基于433 MHz實現短程射頻收發，參考工作在866 MHz的無線MBUS協議，創建了具有自組織能力的基于樹狀結構的無線網絡協議，網絡結構簡單、中間節點少。在10 dBm發射功率下，本熱能表的無線通信距離戶內達80 m以上，可以穿透2～3堵混凝土墻。該表的穿透能力優于同等條件下采用ZigBee技術的熱能表，因而本系統采用的無線通信技術更適用于無線熱能表的實際推廣應用。

2 設計方案及關鍵電路設計

本系統基于低功耗MCU(MSP430F437)與高性能射頻收發器(CC1101)，設計了工作在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、基于精密時間數字轉換器(TDCGP2)的熱能測量電路、基于射頻收發器(CC1101)的無線收發電路。其中，MCU作為整個系統的控制核心，控制TDC-GP2進行流量和溫度測量，實現測量數據的分析、處理、存儲、顯示和時鐘管理，并通過射頻收發器(CC1101)和平衡轉換電路實現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

本系統以時間數字轉換器TDC-GP2為核心，實現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自帶的脈沖發生器產生以6個脈沖為一簇的1 MHz激勵信號。該激勵信號作為計時起始信號，當接收到TDC-GP2的啟動腳啟動信號時，計時電路開始計時，同時該激勵信號經過模擬開關施加給超聲波換能器產生聲波，聲波經傳播后被另一超聲波換能器接收并轉換成電信號。由于回波信號是具有較大噪聲的毫伏級信號，因此，需要經過隔直電容、放大器、帶通濾波器和比較器，產生低抖動的脈沖信號。該信號接TDC-GP2的停止腳作為計時結束信號。MCU讀取TDC-GP2寄存器中相應數據，通過計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/發模擬開關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，再計算得到實際流量。

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。經過計算得到Pt1000的電阻值，再通過查找Pt1000分度表得到實際溫度值，其測量精度可達0.01 K。在完成流量與溫度測量后，計算得到實際熱能。

2.2 CC1101無線收發設計電路

本系統基于TI公司生產的高性能射頻收發器CC1101實現433 MHz下的無線通信?；贑C1101的射頻收發電路如圖2所示。

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

3 系統低功耗設計

對于家用熱能表的設計，不僅要考慮降低成本，更重要的是降低功耗。按照1節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、調理電路和無線收發電路，其低功耗設計十分困難，滿足如此低功耗要求的無線熱能表一直未見報導。

3.1 電源動態分配

系統電源分配如圖3所示。

圖3 系統電源分配圖Fig.3 Power distribution of the system

為實現熱能表的極低功耗，本系統按單元電路的工作狀態進行不同的電源管理。

對于存儲器、時鐘管理等一直運行的電路，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;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，以大幅降低系統功耗。系統通過檢測進出口管道內溫度差ΔT來判斷是否處于供暖期。當ΔT＜3 K時，則認為處于非供暖期，此時需要停止流量檢測，以進一步節約能量;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行熱能測量，因此，系統每隔30 s測量一次進出口管道的溫度差ΔT。當該溫度差ΔT小于3 K時，則認為處于非供暖期而停止流量檢測等功能，以進一步節約能量?；谠搫討B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 2 800 mA的電池可實現20個供暖期的可靠工作。

3.2 流量驅動的無線通信

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

針對此問題，本系統根據熱能表的基本信息是累積流量的特點，通過設定閾值的方法加以實現。當累積流量變化量超過閾值時發送一次數據，則大流量時發送次數要大于小流量時的發送次數，從而不丟失流量信息;當瞬時流量非常小時，累積流量變化將十分緩慢，因而單純以累積流量變化閾值，將導致其發送間隔太大，影響數據實時更新。

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合使用的方法加以實現。當在瞬時流量非常小時，盡管累積流量變化閾值還未達到，只要通信間隔時間大于最大通信間隔周期，就啟動一次無線發送電路，將累積流量等數據發送給集中控制器，然后由集中控制器發送至遠程信息管理系統。這種基于流量和最大通信間隔周期驅動的無線通信平均每天僅發送24次，所以CC1101的平均電流僅為0.1 μA。

本儀表在系統設計時，應保證所有電路可在2.7～3 V范圍內正常工作，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20年以上。

4 系統軟件設計

超聲波熱能表系統的主程序流程如圖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行系統初始化，并完成傳感器、存儲器、TDC-GP2等關鍵部件的自檢;然后定時檢測管道進出水溫度，當這兩者溫差大于3 K時開啟流量定時測量。本系統采用每隔2 s測量一次流量，每隔30 s測量一次溫度。在各項工作完成后系統將進入休眠，等待定時器或按鍵中斷喚醒以開始下一輪工作。

5 結束語

當累計流量變化大于預設的閾值或兩次通信間隔達到最大預定時長時，自動打開無線通信電源，設置參數，進行網絡注冊。

本文研究的無線超聲波熱能表，采用V型反射管道實現高精度熱能測量;采用動態電源管理策略和流量驅動無線發送技術，大大降低了系統的整體功耗;一節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，其無線穿透能力較2.4 GHz的ZigBee技術大大改善，很好地克服了現有無線熱能表難以實際推廣應用的瓶頸，具有廣闊的應用前景。

目前，本文介紹的熱能表已經通過江蘇省技術監督局指定的法定檢測機構檢測和型式試驗。該超低功耗無線超聲波熱能表的檢測精度達2級。

［1］Moczar G，Csubak T，Varady P.Distributed measurement system for heat metering and control［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，51(4):691－694.

［2］邵光，侯加林，吳文峰.基于ZigBee自動抄表的無磁熱量表的設計與實現［J］.電子測量與儀器學報，2009，23(8):95－98.

［3］王輝，張治輝，王曉東.基于網絡的無線抄表系統［J］.現代電子技術，2007(3):108－109.

［4］閆銀發，公茂法，湯元信.基于ZigBee技術的無線網絡抄表系統設計［J］.電測與儀表，2006，43(6):43－45.

［5］Takamoto M，Ishikawa H，Shimizu K，et al.New measurement method for very low liquid flow rates using ultrasound［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2001(12):267－273.

［6］Pavlov V，Dimitrijevi B，Stoj M，et al.Realization of the ultrasonic liquid flowmeter based on the pulse-phase method［J］.Ultrasonics，1997，35(1):87－102.

［7］甄蘭蘭，沈昱明.熱量表的熱量計量原理及計算［J］.自動化儀表，2003，24(10):41－44.

［8］黃建軍，劉存.改進超聲波流量計性能的研究［J］.儀器儀表學報，2001，22(4):87－88.

［9］中華人民共和國建設部，CJ128-2007中華人民共和國城鎮建設行業標準——熱量表［S］.北京，中國標準出版社，2008.

［10］袁玉湘，李國林，張春，等.433～900 MHz樓內樓間無線信道模型［J］.清華大學學報:自然科學版，2005，45(1):44－47.