超低功耗无线超声波热能表设计

　　0 引言

　　超声波热能表因其精度高、压损小、寿命长等特点，在我国北方广大采暖城市被大规模应用。为提高维护效率和信息管理水平，热力管理部门迫切需要对热能表实现区域网络化管理。这不仅要求热能表具有高准确度、高可靠性和极低功耗等特点，同时还要求其具有便捷可靠的通信组网能力。

　　目前，绝大多数的热能表均采用基于 MBUS 或RS-485总线的有线组网方式[1]。随着应用规模的扩大，其布线复杂、维护困难等缺点逐渐显现并难以解决，而采用短距离无线通信技术的热能表因其可较好地克服这一缺点，现已成为热能表的发展趋势。无线热能表一般采用 ZigBee 无线通信技术[2 -4]，其穿透能力弱，对网络环境具有较高的要求，且难以实现 1 节内置电池连续工作6 年的需求，因而存在较大的局限性。因此，研究具有高精度、极低功耗、强穿透能力的无线超声波热能表具有十分重要的应用价值。本文针对该仪表的系统设计方案及其关键技术展开深入讨论。

　　1 无线超声波热能测量原理

　　1. 1 超声波热能表测量原理

　　超声波热能表测量原理是将 2 只配对的热电阻Pt1000 分别安装在热交换回路( 散热器) 的进水和回水管道上，用于测量进回水温度; 将 1 对超声波换能器以 V 型结构安装在进水管道端，基于超声波时差法原理得到瞬时体积流量 qv[5 -6]，其表达式如下。

　　式中: K1为流量修正系数; c 为声速; θ 为入射角; L 为超声波从入射点到反射点的传播距离; D 为管径; Δt为超声波在顺、逆流的传播时间差.

　　由微处理器根据采集得到的流量和温度信息，通过计算得到热水经过热交换系统所释放的实际热量值[7 -8]，其表达式如下。

　　式中: Q 为释放的热量，kJ; K 为热修正系数，J/m3; ρ 为水的密度，kg/m3; qv为流经热能表的瞬时体积流量，m3/ s;Δh 为进出口温度差对应的热焓值，kJ/kg; t 为测量时间，s。其中，水的热焓值和密度可通过查找实际温度对应的热焓值表和密度表得到[9]。

　　1. 2 433 MHz 无线通信技术

　　随着热能表应用规模的不断扩大，传统的人工管理或有线组网模式已难以满足大规模热能表信息管理的需求; 而采用射频技术的无线热能表因组网便捷、易于维护，逐渐成为热能表的发展趋势。

　　我国可用的 ISM( 工业、科学和医疗) 射频频率分为 2. 4 GHz 和 433 MHz。其中，2. 4 GHz 是国际公共频段，包括 ZigBee、蓝牙、WiFi 等无线通信均采用该频段。该频带频谱噪声大、易受干扰。433 MHz 频段的频谱相对纯净得多，相对于工作在 2. 4 GHz 的 ZigBee射频通信，433 MHz 射频通信具有更高的灵敏度和穿透能力，并能实现更低的功耗[10]。本文研究的无线热能表基于 433 MHz 实现短程射频收发，参考工作在866 MHz 的无线 MBUS 协议，创建了具有自组织能力的基于树状结构的无线网络协议，网络结构简单、中间节点少。在 10 dBm 发射功率下，本热能表的无线通信距离户内达 80 m 以上，可以穿透 2 ～ 3 堵混凝土墙。该表的穿透能力优于同等条件下采用 ZigBee 技术的热能表，因而本系统采用的无线通信技术更适用于无线热能表的实际推广应用。