一：前言
随着燃气用户的快速增长，城市燃气安全事故已成为我国继交通事故、工伤事故之后的第三大杀手，2021年媒体报道的国内（不含港澳台）燃气事故高达1140起，较2020年增长了约一倍，安全形势严峻。在各类燃气事故中，居民用户事故数量、死亡和受伤人数，分别占比为53.5%、45.2%和51.1%，成为最主要的事故来源。如何尽快遏制燃气事故多发、频发的态势，提高我国经济社会安全发展水平，成为当前的一件紧迫任务。
图一：2021年二季度液化石油气各事故典型占比
在发达国家，家用燃气报警器普及率达85%以上。以日本为例，日本用了20多年的时间，不仅完成了必要的燃气报警器强制安装，而且在家庭等非强制安装领域的普及率也接近100%，燃气致命性事故几乎为0。目前，我国城市燃气普及率至2019年已经达到97.29%，燃气用户数量接近2亿， 其中工业用户和大型商业用户如大型企业、饭店和酒店等都普遍安装了燃气报警器。但量大面广的中小型餐饮用户和居民家庭，燃气报警器的安装率非常低。据有关资料显示，我国城市家庭安装燃气报警器的比例仅在10%左右，即使在居民安全意识较强的北京市，其天然气用户已经超过400万户，但安装了燃气报警器的用户不超过50万户。
燃气报警器的市场非常广阔。广芯微结合自身的具有低功耗高性能的MCU技术和RF技术，推出了具有创造性的双向Sub-1G模块，应用于燃气报警和自动控制阀门。如图所示：
图二：燃气报警器示意图
图三：低功耗双向RF模块
二、报警器、燃气表与阀门控制之间的技术实现手段：
工作条件：
报警器为AC供电；燃气表及阀门用电池供电的。
应用需求：
1. 报警器与燃气表/阀门之间建立最低功耗的连接，避免给其它的设备造成同频干扰；
2. 燃气表/阀门处于最低功耗的运行，使电池可以供电达到数年的水平。
实施步骤：
1. 在建立连接的时候，报警器按照最大的发射功率20dbm给燃气表/阀门发送信息包；
2. 燃气表/阀门收到该信息包并读取该信号强度RSSI值
3. 燃气表/阀门回复报警器该RSSI值
4. 报警器收到燃气表/阀门的RSSI值，调整发射功率，并给燃气表/阀门继续发信息
5. 燃气表/阀门收到后继续反馈RSSI值
6. 最终双方建立起最低功率的通讯链接。最大限度避免给其它家的设备造成同频干扰
图四：燃气方案示意图
双向RF模块采用Sub-1GHz双向收发SoC UM2080F32，静态功耗为0.5uA，在燃气应用场景的工作条件下，需要每2秒钟唤醒并保持连接，对应的燃气表/阀门模块的平均功耗约为15uA。
三、燃气方案特性
1. 该方案应用的核心芯片UM2080F32是广芯微电子推出的集成高性能M0+ MCU和高性能Sub-1GHz无线射频收发功能高性价比的SoC，芯片最大发射功率为20dbm, 接收灵敏度-130dbm, 其邻道抑制比和镜像抑制比达到国内该领域的先进水平。该SoC芯片支持128字节发射和接收FIFO，适用于其它网络协议的应用，并且兼容其它厂家芯片的包格式，实现物理层与其它厂家芯片的互通。适用于工业、汽车、智能家居等领域。该模组满足工业应用场合，极具性价比。
2. 燃气报警方案通过功率自适应的方法使整体方案中报警器和自控阀门之间的无线链接功率最低，不会对其它家设备造成干扰。避免传统的单向方案按照固定发射功率进行发送，造成同频干扰的问题；也规避在本家出事故需要发出控制阀门信号的时候，由于同频干扰，燃气表/阀门收不到信号，而酿成灾祸的风险。
3. 该方案的双向通信可以高效地支持燃气表及阀门等设备的软件维护，工作人员可以进行系统复位、升级、故障定位。燃气表在NB-IOT通信出现故障的时候，也可以通过双向模块向工作人员发送，工作人员也可以通过该通道进行抄表动作。
4. 双向方案报警器和燃气表端通过通信协议协商方式进行收发，将更加省电，降低电池的成本
5. 整体方案模块符合FCC，CE等认证。
6. 相比于蓝牙方案，Sub-1GHz频段具有很好的穿墙能力，较好解决2.4G信号穿透能力较弱的问题。
四、关于高性能Sub-1GHz收发SOC芯片UM2080F32
1. 微处理器模块：
· 32 位 Cortex-M0+，最高32MHz主频
· 16KB SRAM，64KB eFlash：
· 3路16 位 GTimer，3路16位LPTimer
· 6 路 PWM 输出，死区互补，刹车功能，输入捕获，输出比较
· 17路GPIO，16/8mA 两档驱动可配
· 1 路低功耗 LPUART，2 路通用 UART，
· 支持I2C, SPI, QSPI
· 8通道(7路外部,1路内部), 12位，1Msps SAR ADC
· 1路CAN2.0总线，支持CAN2.0A/B 协议，速率 125K~1Mbps
· 1 路运算放大器，输入/输出到 IO，管脚可与 ADC、比较器级联
· 3路电压比较器
· 支持CRC16-CCITT 数据校验算法硬件加速
2. RF模块：
· 频率范围：200MHz~960MHz
· 调制方式：(G)FSK, OOK
· 数据率：0.1 ~ 300 kbps
· 发射功率： -20dbm至20dbm，1dbm调节步径
· 接收灵敏度：-130dbm/0.1Kbps -120dbm/1.2Kbps
· 128字节的接收和发射FIFO
· 灵活的数据包配置，兼容市场上大部分射频芯片的包格式。
· 芯片内部集成了定时唤醒器（duty cycle)
· 芯片内部集成了高效率的BUCK DC DC转换器
· 符合FCC、CE等认证测试
3. 芯片特性：
· 工业温度范围：-40°C ~105°C
· 工作电压：1.8V~3.6V，
· 睡眠电流：小于0.5uA，时钟停止，IO、SRAM 以及寄存器保持
· 防抄板设计，防止 eFlash 中程序被盗取
图五：UM2080F32系统框图
【关于广芯微】
广芯微电子（广州）股份有限公司专注于低功耗物联网芯片的研发、设计与销售，为客户提供面向个人与家庭、工业与商业物联网应用领域,以低功耗为差异化的8位/32位微控制器芯片、无线射频收发器芯片、数字电源管理芯片和传感与信号调理专用芯片等。
广芯微秉持客户第一、技术创新和市场领先的理念，以国际领先的技术为基础，为客户提供一流的产品与技术，打造值得信赖的集成电路设计品牌企业。公司独有的低功耗芯片设计方法、轻量化人工智能算法、大功率的PD快充协议以及多样性无线连接技术整合而成的低成本高收益的集成电路设计，在健康医疗电子、消费电子、智慧家庭、工业控制、传感器与表计等领域已经得到了广泛的应用。广芯微低功耗微处理器芯片与射频芯片具有超低睡眠功耗与更低的工作电流，有效地帮助电子设备降低能耗，积极助力节能减排。
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