一：前言

隨著燃氣用戶的快速增長，城市燃氣安全事故已成為我國繼交通事故、工傷事故之后的第三大殺手，2021年媒體報道的國內(nèi)(不含港澳臺)燃氣事故高達1140起，較2020年增長了約一倍，安全形勢嚴峻。在各類燃氣事故中，居民用戶事故數(shù)量、死亡和受傷人數(shù)，分別占比為53.5%、45.2%和51.1%，成為最主要的事故來源。如何盡快遏制燃氣事故多發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢，提高我國經(jīng)濟社會安全發(fā)展水平，成為當前的一件緊迫任務(wù)。

在發(fā)達國家，家用燃氣報警器普及率達85%以上。以日本為例，日本用了20多年的時間，不僅完成了必要的燃氣報警器強制安裝，而且在家庭等非強制安裝領(lǐng)域的普及率也接近100%，燃氣致命性事故幾乎為0。目前，我國城市燃氣普及率至2019年已經(jīng)達到97.29%，燃氣用戶數(shù)量接近2億， 其中工業(yè)用戶和大型商業(yè)用戶如大型企業(yè)、飯店和酒店等都普遍安裝了燃氣報警器。但量大面廣的中小型餐飲用戶和居民家庭，燃氣報警器的安裝率非常低。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國城市家庭安裝燃氣報警器的比例僅在10%左右，即使在居民安全意識較強的北京市，其天然氣用戶已經(jīng)超過400萬戶，但安裝了燃氣報警器的用戶不超過50萬戶。

燃氣報警器的市場非常廣闊。廣芯微結(jié)合自身的具有低功耗高性能的MCU技術(shù)和RF技術(shù)，推出了具有創(chuàng)造性的雙向Sub-1G模塊，應(yīng)用于燃氣報警和自動控制閥門。如圖所示：

圖：低功耗雙向RF模塊

二、報警器、燃氣表與閥門控制之間的技術(shù)實現(xiàn)手段：

工作條件：

報警器為AC供電;燃氣表及閥門用電池供電。

應(yīng)用需求：

報警器與燃氣表/閥門之間建立最低功耗的連接，避免給其它的設(shè)備造成同頻干擾;

燃氣表/閥門處于最低功耗的運行，使電池可以供電達到數(shù)年的水平。

實施步驟：

在建立連接的時候，報警器按照最大的發(fā)射功率20dbm給燃氣表/閥門發(fā)送信息包;

燃氣表/閥門收到該信息包并讀取該信號強度RSSI值

燃氣表/閥門回復(fù)報警器該RSSI值

報警器收到燃氣表/閥門的RSSI值，調(diào)整發(fā)射功率，并給燃氣表/閥門繼續(xù)發(fā)信息

燃氣表/閥門收到后繼續(xù)反饋RSSI值

最終雙方建立起最低功率的通訊鏈接。最大限度避免給其它家的設(shè)備造成同頻干擾

圖：燃氣方案示意圖

雙向RF模塊采用Sub-1GHz雙向收發(fā)SoC UM2080F32，靜態(tài)功耗為0.5uA，在燃氣應(yīng)用場景的工作條件下，需要每2秒鐘喚醒并保持連接，對應(yīng)的燃氣表/閥門模塊的平均功耗約為15uA。

三、燃氣方案特性

該方案應(yīng)用的核心芯片UM2080F32是廣芯微電子獲獎的集成超低功耗ARM M0+ MCU功能和高性能Sub-1GHz無線射頻收發(fā)功能的無線MCU，芯片最大發(fā)射功率為20dbm, 接收靈敏度-130dbm, 其鄰道抑制比和鏡像抑制比達到國內(nèi)該領(lǐng)域的先進水平。該無線MCU支持128字節(jié)發(fā)射和接收FIFO，適用于其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用，并且兼容其它廠家芯片的包格式，實現(xiàn)物理層與其它廠家芯片的互通。適用于工業(yè)、汽車、智能家居等領(lǐng)域。該模組滿足工業(yè)應(yīng)用場合，極具性價比。

燃氣報警方案通過功率自適應(yīng)的方法使整體方案中報警器和自控閥門之間的無線鏈接功率最低，不會對其它家設(shè)備造成干擾。避免傳統(tǒng)的單向方案按照固定發(fā)射功率進行發(fā)送，造成同頻干擾的問題;也規(guī)避在本家出事故需要發(fā)出控制閥門信號的時候，由于同頻干擾，燃氣表/閥門收不到信號，而釀成災(zāi)禍的風(fēng)險。

該方案的雙向通信可以高效地支持燃氣表及閥門等設(shè)備的軟件維護，工作人員可以進行系統(tǒng)復(fù)位、升級、故障定位。燃氣表在NB-IOT通信出現(xiàn)故障的時候，也可以通過雙向模塊向工作人員發(fā)送，工作人員也可以通過該通道進行抄表動作。

雙向方案報警器和燃氣表端通過通信協(xié)議協(xié)商方式進行收發(fā)，將更加省電，降低電池的成本

整體方案模塊符合FCC，CE等認證。

相比于藍牙方案，Sub-1GHz頻段具有很好的穿墻能力，較好解決2.4G信號穿透能力較弱的問題。

四、關(guān)于高性能Sub-1GHz無線MCU UM2080F32

1. 微處理器功能：

32 位 Cortex-M0+，最高32MHz主頻

16KB SRAM，64KB eFlash

3路16 位 GTimer，3路16位LPTimer

6 路 PWM 輸出，死區(qū)互補，剎車功能，輸入捕獲，輸出比較

17路GPIO，16/8mA 兩檔驅(qū)動可配

1 路低功耗 LPUART，2 路通用 UART

支持I2C, SPI, QSPI

8通道(7路外部,1路內(nèi)部), 12位，1Msps SAR ADC

1路CAN2.0總線，支持CAN2.0A/B 協(xié)議，速率 125K~1Mbps

1 路運算放大器，輸入/輸出到 IO，管腳可與 ADC、比較器級聯(lián)

3路電壓比較器

支持CRC16-CCITT 數(shù)據(jù)校驗算法硬件加速

2. 射頻功能：

頻率范圍：200MHz~960MHz

調(diào)制方式：(G)FSK, OOK

數(shù)據(jù)率：0.1 ~ 300 kbps

發(fā)射功率：-20dbm至20dbm，1dbm調(diào)節(jié)步徑

接收靈敏度：-130dbm/0.1Kbps -120dbm/1.2Kbps

128字節(jié)的接收和發(fā)射FIFO

靈活的數(shù)據(jù)包配置，兼容市場上大部分射頻芯片的包格式

芯片內(nèi)部集成了定時喚醒器(duty cycle)

芯片內(nèi)部集成了高效率的BUCK DC DC轉(zhuǎn)換器

符合FCC、CE等認證測試

3. 芯片特性：

工業(yè)溫度范圍：-40°C ~105°C

工作電壓：1.8V~3.6V

睡眠電流：小于0.5uA，時鐘停止，IO、SRAM 以及寄存器保持

防抄板設(shè)計，防止 eFlash 中程序被盜取

圖：UM2080F32系統(tǒng)框圖

審核編輯：湯梓紅