基于超低功耗无线模块RFM64的无线远传水表、远传电表、远传燃气表、远传热量表设计方案

概述:

    随着社会和经济的进步，住宅商品化发展迅速，住宅水、电、气、热表的抄表和收费问题日益突出。如何有效解决入户抄表收费的技术问题，提供一个合理、完整、系统的实施管理方案，需要企业、科研和公用事业管理部门共同努力。目前，住宅水、电、气、热表远程抄表系统形式多样，但市场比较混乱，技术上尚不成熟，没有一个被市场认可的完整系统实施管理方案。传统的有线抄表系统布线复杂、可靠性差、维护困难，难以实现管理升级，不能满足旧楼系统改造的市场要求；而新兴GPRS、短信GSM网络抄表方式使用成本昂贵，不适宜大面积推广。

    RFM64是华普推出的一款超低功耗高性能的无线收发模块，SPI接口,超小尺寸20x16x2.5mm，可工作在315/433MHz ISM的频点(RFM63工作在868/915M Hz)，故无需申请。RFM64经过优化具有非常低的接收功耗，典型接收电流为2.6mA, 远小于同类收发器的接收电流。工作电压为2.1-3.6V,最大发射功率+12.5dBm, RFM64集成度非常高，其包含了射频功能和逻辑控制功能的集成电路，内部集成压控振荡器、锁相环电路、功率放大电路、低噪声放大电路、调制解调电路、变频器、中放电路等。此外它整合了基带调制解调器的数据传输速率高达150Kbps数据处理功能包括一个64字节的FIFO，包处理，自动CRC生成和数据白化。它的高度集成的架构允许最少的外部元件数量，同时保持设计的灵活性。所有主要的射频通讯参数可编程，其中多数可动态设置。

RFM64

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基于超低功耗无线模块RFM64的设计，其具有传输距离相对远，接收的灵敏度较高，工作功耗低等诸多优点，所以它适用于无线远传水表、无线远传电表、无线远传燃气表、无线远传热量表无线遥控系统、无线传感器网络、无线温度压力数据采集、机器人控制等需要用电池长期工作的领域。

系统电路设计

系统主要由一个MCU和RFM64组成。MCU选用了ST公司的低功耗单片机STM8L101F3,  RFM64与单片机通讯采用SPI接口，与外部终端通信采用UART接口。由于高度集成化RFM64外围零件已经很少，所以设计的关键是RF前端的匹配电路的设计。另外高频部分的走线尽量的短粗，元器件参数要根据线路板的实际情况作出适当的调节，以抵消分布参数的影响。一般的RF芯片发射与接收端口的阻抗并不是标准的50Ω阻抗，要达到最佳的接收效果必须将输入阻抗通过外围器件的补偿使之与50Ω的天线匹配。

图一：RFM64内部结构图

工作模式设计

典型的无线收发机编码如下图。

前导码为“1010”交替码，其作用是使目的接收机时钟与发射机同步，正常模式下前导码长度一般为32bit即可，如工作在省电模式时序下，前导码还有唤醒接收机的功能，此时发射机必须发送较长的前导码将省电模式下的接收机唤醒进入正常的工作状态。如设置接收机1秒钟唤醒一次，那么接收机每间隔1秒钟唤醒一次搜索前导码(tw)，持续长度一般为16bit。而发射机首先发射1秒以上的前导码再发射后面得同步码等，这意味着接收机在唤醒的周期，只要信道中发现前导码，在正常情况下都能够可成功检测到并唤醒接收，示意图见图二。
这里我们设计了四种工作模式，见表一，这四种工作模式是利用MCU的SET_A和SET_B脚转换的，四种模式均可以相互转换。

表一:四种工作模式说明

图二：发射处于模式2状态，接收处于模式3状态示意图

休眠模式是通过用软件方式实现的，这样休眠时系统的接口均保持相应的电平，并且能快速切换各种状态，由于MCU主时钟是通过RC振荡器产生的，起振时间仅仅需要4uS,  实测从休眠至唤醒加上唤醒初始化的时间仅仅需要20uS，这意味模块在休眠状态时，置低SET_A脚后20uS就可以通过UART口输入数据至模块。这里我们设计了系统在接收或发送过程中，即使设置工作在模式3或4，模块也要将接收或发送过程执行完毕再进入省电模式或休眠模式，其中在接收或发送过程中AUX脚将被置低。利用这个特点，当模块处于模式3或模块4状态，下位机用户在置低SET_A脚使模块唤醒并输入数据后，若需休眠可立刻置高SET_A脚，而不必等到模块将数据无线发送完毕，模块在数据发送结束后会自动检测SET_A脚，如为高则进入休眠，数据是否发送结束用户可以通过查询AUX脚获得。

图三：模块与下位机的连接图

在电池供电的电路中，正常可将从模块(如水气表)设置在模式3上，当主模块(如采集器或收抄机)在模式2下发送数据，从模块唤醒后接收数据，完成后利用AUX脚将下位机MCU唤醒，再将数据输出，MCU接收到数据后，可将从模块切换至模式1，应答主模块.如主模块收到应答后也可被切换至模式1,这时主从模块均处于正常模式下，可以实现高速数据传输。如主模块收到应答后，后续无数据交换可将从机再次切换至模式3处于省电模式下，等待下一次的唤醒，而主模块可以切换至模式4休眠状态。
因为省电是通过周期性唤醒休眠再唤醒实现的，所以在省电模式下的功耗与唤醒周期和每次唤醒搜索前导码的时间(tw)，以及休眠的静态功耗有关。唤醒周期用户可以在线设置范围是50ms至5s. 每次搜索前导码时间与射频传输的速率有关，射频传输的速率也是可设的，在10Kbps速率的速率下唤醒搜索前导码时间平均约为4.5ms.

在省电模式下电池的使用寿命可以通过以下公式算出：

例如：电池是 3.6V/3.6A ER18505锂亚电池，模块包括MCU接收电流为3.2mA，休眠电流1.5uA.射频传输速率10Kbps,唤醒周期为1SEC,那么电池使用寿命是：

考虑到电池的自放电,不同电流下的容量差异，温度以及客户端MCU的休眠功耗和每月几次的使用，1节3.6V/3.6A ER18505锂亚电池正常情况下有超过10年的使用寿命。
省电模式的工作方式非常适合水气热表，集装箱信息管理，数据采集系统等使用不是太频繁但要求用电池长期工作的场合

总结：

在一些无线收发的应用中，如需电池供电，又要长期处于接收状态已保证实时响应，只有用定时唤醒接收的方式。在电池容量不变的情况下，若想延长工作时间，只能降低占空比和提高无线收发速率。但是降低占空比会直接影响到响应
实时性，而无线接收每提高一倍的速率灵敏度一般会下降2-3dBm, .直接影响到通讯距离，现在市场上常见的单芯片无线IC接收电流一般都有15-20mA ,如应用于像无线水汽表需要电池工作6-10年的系统，各种参数像距离，工作寿命，响应时间很难取舍。而深圳市惠贻华普电子有限公司推出的RFM64创新的将电流降低到2.6mA,同时接收灵敏度，抗干扰，邻道选择性等指标仍然具有较高的指标。
目前这款基于RFM64无线模块已由圳市惠贻华普电子有限公司开发完成，并成功应用于无线水气表的采集，实测在开阔地无线设置在10Kbps下距离约有500米，2Kbps下距离约有600米，1SEC打开一次的情况下，用手抄机不到2SEC即可完成一次水气表数据采集，若与采集器配合可以实现全自动抄表，手抄机如再加上GPS即可实现无需人工输入命令，自动发现周边的水气表从而进一步提高抄表速度。而相比传统的人工抄表每人每月只能抄3-4K住户，并且燃气表大多还要在晚上上门抄表，大大的提高了效率。

通过对无线远传智能水表进行的供电参数、无线电性能、信号输出测试、控制功能测试、水表性能测试，其主要参数全部达标，实现了设计时要求的技术指标和性能。本系统方案采用无线数据传输方式，可方便实现户内仪表的数据出户、集中及统一管理，系统成本低、可靠性高、易于扩展、方便实现网络化管理，有效地解决了住宅水、电、气、热表的抄表和收费问题，具有很高的经济和社会效益。