一：前言
隨著燃?xì)庥脩?hù)的快速增長(zhǎng)，城市燃?xì)獍踩鹿室殉蔀槲覈?guó)繼交通事故、工傷事故之后的第三大殺手，2021年媒體報(bào)道的國(guó)內(nèi)（不含港澳臺(tái)）燃?xì)馐鹿矢哌_(dá)1140起，較2020年增長(zhǎng)了約一倍，安全形勢(shì)嚴(yán)峻。在各類(lèi)燃?xì)馐鹿手?，居民用?hù)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(lái)源。如何盡快遏制燃?xì)馐鹿识喟l(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢(shì)，提高我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(dá)國(guó)家，家用燃?xì)鈭?bào)警器普及率達(dá)85%以上。以日本為例，日本用了20多年的時(shí)間，不僅完成了必要的燃?xì)鈭?bào)警器強(qiáng)制安裝，而且在家庭等非強(qiáng)制安裝領(lǐng)域的普及率也接近100%，燃?xì)庵旅允鹿蕩缀鯙?。目前，我國(guó)城市燃?xì)馄占奥手?019年已經(jīng)達(dá)到97.29%，燃?xì)庥脩?hù)數(shù)量接近2億， 其中工業(yè)用戶(hù)和大型商業(yè)用戶(hù)如大型企業(yè)、飯店和酒店等都普遍安裝了燃?xì)鈭?bào)警器。但量大面廣的中小型餐飲用戶(hù)和居民家庭，燃?xì)鈭?bào)警器的安裝率非常低。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)城市家庭安裝燃?xì)鈭?bào)警器的比例僅在10%左右，即使在居民安全意識(shí)較強(qiáng)的北京市，其天然氣用戶(hù)已經(jīng)超過(guò)400萬(wàn)戶(hù)，但安裝了燃?xì)鈭?bào)警器的用戶(hù)不超過(guò)50萬(wàn)戶(hù)。
燃?xì)鈭?bào)警器的市場(chǎng)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?xì)鈭?bào)警和自動(dòng)控制閥門(mén)。如圖所示：
圖二：燃?xì)鈭?bào)警器示意圖
圖三：低功耗雙向RF模塊
二、報(bào)警器、燃?xì)獗砼c閥門(mén)控制之間的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段：
工作條件：
報(bào)警器為AC供電；燃?xì)獗砑伴y門(mén)用電池供電的。
應(yīng)用需求：
1. 報(bào)警器與燃?xì)獗?閥門(mén)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?xì)獗?閥門(mén)處于最低功耗的運(yùn)行，使電池可以供電達(dá)到數(shù)年的水平。
實(shí)施步驟：
1. 在建立連接的時(shí)候，報(bào)警器按照最大的發(fā)射功率20dbm給燃?xì)獗?閥門(mén)發(fā)送信息包；
2. 燃?xì)獗?閥門(mén)收到該信息包并讀取該信號(hào)強(qiáng)度RSSI值
3. 燃?xì)獗?閥門(mén)回復(fù)報(bào)警器該RSSI值
4. 報(bào)警器收到燃?xì)獗?閥門(mén)的RSSI值，調(diào)整發(fā)射功率，并給燃?xì)獗?閥門(mén)繼續(xù)發(fā)信息
5. 燃?xì)獗?閥門(mén)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?xì)夥桨甘疽鈭D
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?xì)鈶?yīng)用場(chǎng)景的工作條件下，需要每2秒鐘喚醒并保持連接，對(duì)應(yīng)的燃?xì)獗?閥門(mén)模塊的平均功耗約為15uA。
三、燃?xì)夥桨柑匦?/span>
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(wú)線射頻收發(fā)功能高性?xún)r(jià)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(dá)到國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的先進(jìn)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(shí)現(xiàn)物理層與其它廠家芯片的互通。適用于工業(yè)、汽車(chē)、智能家居等領(lǐng)域。該模組滿足工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，極具性?xún)r(jià)比。
2. 燃?xì)鈭?bào)警方案通過(guò)功率自適應(yīng)的方法使整體方案中報(bào)警器和自控閥門(mén)之間的無(wú)線鏈接功率最低，不會(huì)對(duì)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(jìn)行發(fā)送，造成同頻干擾的問(wèn)題；也規(guī)避在本家出事故需要發(fā)出控制閥門(mén)信號(hào)的時(shí)候，由于同頻干擾，燃?xì)獗?閥門(mén)收不到信號(hào)，而釀成災(zāi)禍的風(fēng)險(xiǎn)。
3. 該方案的雙向通信可以高效地支持燃?xì)獗砑伴y門(mén)等設(shè)備的軟件維護(hù)，工作人員可以進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位、升級(jí)、故障定位。燃?xì)獗碓贜B-IOT通信出現(xiàn)故障的時(shí)候，也可以通過(guò)雙向模塊向工作人員發(fā)送，工作人員也可以通過(guò)該通道進(jìn)行抄表動(dòng)作。
4. 雙向方案報(bào)警器和燃?xì)獗矶送ㄟ^(guò)通信協(xié)議協(xié)商方式進(jìn)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(rèn)證。
6. 相比于藍(lán)牙方案，Sub-1GHz頻段具有很好的穿墻能力，較好解決2.4G信號(hào)穿透能力較弱的問(wèn)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(bǔ)，剎車(chē)功能，輸入捕獲，輸出比較
· 17路GPIO，16/8mA 兩檔驅(qū)動(dòng)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(yùn)算放大器，輸入/輸出到 IO，管腳可與 ADC、比較器級(jí)聯(lián)
· 3路電壓比較器
· 支持CRC16-CCITT 數(shù)據(jù)校驗(yàn)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(chǎng)上大部分射頻芯片的包格式。
· 芯片內(nèi)部集成了定時(shí)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(rèn)證測(cè)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(shí)鐘停止，IO、SRAM 以及寄存器保持
· 防抄板設(shè)計(jì)，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(zhuān)注于低功耗物聯(lián)網(wǎng)芯片的研發(fā)、設(shè)計(jì)與銷(xiāo)售，為客戶(hù)提供面向個(gè)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(wú)線射頻收發(fā)器芯片、數(shù)字電源管理芯片和傳感與信號(hào)調(diào)理專(zhuān)用芯片等。
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