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(dāng)前的一件緊迫任務(wù)。
圖一：2021年二季度液化石油氣各事故典型占比
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：
圖二：燃氣報警器示意圖
圖三：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的。
應(yīng)用需求：
1. 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；
2. 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：
1. 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；
2. 燃氣表/閥門收到該信息包并讀取該信號強度RSSI值
3. 燃氣表/閥門回復(fù)報警器該RSSI值
4. 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
5. 燃氣表/閥門收到后繼續(xù)反饋RSSI值
6. 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
圖四：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
1. 該方案應(yīng)用的核心芯片UM2080F32是廣芯微電子推出的集成高性能M0+ MCU和高性能Sub-1GHz無線射頻收發(fā)功能高性價比的SoC，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SoC芯片支持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。
2. 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。
3. 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。
4. 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
5. 整體方案模塊符合FCC，CE等認證。
6. 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收發(fā)SOC芯片UM2080F32
1. 微處理器模塊：
· 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. RF模塊：
· 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
圖五：UM2080F32系統(tǒng)框圖
關(guān)于廣芯微
廣芯微電子（廣州）股份有限公司專注于低功耗物聯(lián)網(wǎng)芯片的研發(fā)、設(shè)計與銷售，為客戶提供面向個人與家庭、工業(yè)與商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,以低功耗為差異化的8位/32位微控制器芯片、無線射頻收發(fā)器芯片、數(shù)字電源管理芯片和傳感與信號調(diào)理專用芯片等。
廣芯微秉持客戶第一、技術(shù)創(chuàng)新和市場領(lǐng)先的理念，以國際領(lǐng)先的技術(shù)為基礎(chǔ)，為客戶提供一流的產(chǎn)品與技術(shù)，打造值得信賴的集成電路設(shè)計品牌企業(yè)。公司獨有的低功耗芯片設(shè)計方法、輕量化人工智能算法、大功率的PD快充協(xié)議以及多樣性無線連接技術(shù)整合而成的低成本高收益的集成電路設(shè)計，在健康醫(yī)療電子、消費電子、智慧家庭、工業(yè)控制、傳感器與表計等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。廣芯微低功耗微處理器芯片與射頻芯片具有超低睡眠功耗與更低的工作電流，有效地幫助電子設(shè)備降低能耗，積極助力節(jié)能減排。
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