CN108874561A - 低功耗智能燃气表及其分层式逻辑构架 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低功耗智能燃气表及其分层式逻辑构架，其中低功耗智能燃气表包括一智能燃气表本体、一开盖触发装置和一盖体；所述盖体与所述智能燃气表本体可拆卸地固定配合；所述智能燃气表本体包括一处理器、一存储器和一通信芯片，所述存储器和所述通信芯片连接所述处理器；所述开盖触发装置连接于所述智能燃气表本体和所述盖体之间，并连接所述处理器。本发明的一种低功耗智能燃气表及其分层式逻辑构架，可大幅度提高模块代码之间的耦合度，同时功耗低，能够显著地提升使用等量电池的情况下智能膜式燃气表的使用寿命；并能够实现非法拆表记录和报警功能。
Description
技术领域
本发明涉及智能燃气表领域，尤其涉及一种低功耗智能燃气表及其分层式逻辑构架。
背景技术
现有的智能燃气表的传统8/16/32位微处理器的程序设计大多以裸机设计为主，虽然能满足相对简单的应用，但是不利于复杂应用的代码设计和多成员团队的代码维护及管理。同时，现有智能燃气表多采用传统GSM/GPRS和4G蜂窝网络通信模组通信，其时功耗达到2安培级别，如此耗能将会严重影响到电池使用寿命。另外，现有的智能燃气表缺乏防止非法拆表和防篡改功能。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种低功耗智能燃气表及其分层式逻辑构架，可大幅度提高模块代码之间的耦合度，同时功耗低，能够显著地提升使用等量电池的情况下智能膜式燃气表的使用寿命；并能够实现非法拆表记录和报警功能。
为了实现上述目的，本发明提供一种低功耗智能燃气表，包括一智能燃气表本体、一开盖触发装置和一盖体；所述盖体与所述智能燃气表本体可拆卸地固定配合；所述智能燃气表本体包括一处理器、一存储器和一通信芯片，所述存储器和所述通信芯片连接所述处理器；所述开盖触发装置连接于所述智能燃气表本体和所述盖体之间，并连接所述处理器。
优选地，所述开盖触发装置采用轻触开关。
优选地，所述通信芯片采用NB-IoT蜂窝网络通信芯片。
优选地，所述智能燃气表本体还包括一光电直读累加器、至少一控制按键、一第一电源、一显示器、一第二电源、一DC开关和一电机阀；所述第一电源与所述处理器电连接，所述控制按键、所述显示器、所述DC开关和所述电机阀与所述处理器电连接；所述第二电源与所述DC开关、所述电机阀和所述通信芯片电连接。
优选地，所述处理器包括型号为STM32L152VD的32位低功耗微处理器。
优选地，所述处理器设置有所述分层式逻辑构架，所述分层式逻辑构架包括一FreeRTOS嵌入式操作系统。
优选地，所述存储器采用一串行flash存储器。
本发明的一种基于本发明所述的低功耗智能燃气表的分层式逻辑构架，包括一中间层和一业务层，所述中间层包括：一中间层任务管理器、一第一应用模块和一第一驱动模块；所述业务层包括：一业务层任务管理器、一第二应用模块和一第二驱动模块；
所述业务层任务管理器与所述中间层任务管理器通信连接，所述第一应用模块与所述中间层任务管理器和所述第二应用模块通信连接，所述第一驱动模块与所述第一应用模块和所述第二驱动模块通信连接，所述第二驱动模块与所述第二应用模块通信连接；
所述中间层用于统一封装硬件模块功能和系统基础逻辑功能；
所述业务层用于通过调用所述中间层的接口控制对应的硬件；
所述第一驱动模块和所述第二驱动模块用于所述处理器的原生库函数的多级封装。
优选地，所述中间层任务管理器包括：
一菜单任务管理模块，用于管理按键与菜单交互；
一事件任务管理模块，用于管理以所述处理器为核心的控制板板载资源触发的中断事件，所述中断事件包括按键、时钟和唤醒；
一业务层请求任务管理模块，用于处理来自所述业务层的应用请求；以及
所述FreeRTOS嵌入式操作系统用于提供系统调度和函数接口；
所述第一应用模块包括：
一中间层初始化模块，用于按照中间层任务分配所述FreeRTOS嵌入式操作系统资源；和
一中间层应用模块和函数接口模块，用于按模块实现第一外设功能，所述第一外设功能包括LCD显示菜单项、时钟闹钟管理和供电电压采集。
优选地，所述业务层任务管理器包括：
一通信任务模块，用于管理维护膜式燃气表对外通信接口；
一业务层事件任务模块，用于处理所述业务层各模块之间的信息通信传递；
一阀门控制任务模块，用于处理阀门控制请求，所述阀门控制请求包括：掉电I/O中断、按键I/O中断和通信协议的阀门控制通知；以及
一中间层通知任务模块，用于处理所述中间层以共享形式给出的事件通知，所述事件通知包括：小时/天事件、掉电/上电事件和开盖/合盖事件；
所述第二应用模块包括：
一业务层初始化模块，用于按照中间层任务分配所述FreeRTOS嵌入式操作系统资源；以及
一业务层应用模块和函数接口模块，用于按模块实现第二外设功能，所述第二外设功能包括NB-IoT通信、远程控制阀门和网络手动/自动上报。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
开盖触发装置、处理器和通信芯片的配合，使得盖体开启的操作会立即触发防篡改事件并通知处理器，可实现对用户非法开盖事件的监测，同时将该事件记录并报警告知维护人员。NB-IoT蜂窝网络通信芯片的采用，可将数据通信时功耗降低至300豪安级别，配合固件的低功耗系统设计能够显著地提升使用等量电池的情况下智能燃气表的使用寿命。处理器结合FreeRTOS嵌入式操作系统同时利用代码分区分层设计的结构，可有效提高模块代码之间的耦合度。分层式逻辑构架的采用将燃气表控制板的驱动和业务逻辑分离，同时使用FreeRTOS嵌入式操作系统将系统调用和特定处理器分离，真正实现了程序逻辑和底层的独立。通过分层结构可以有效避免在业务逻辑中直接操作底层如中断控制和存储器的访问，做到了针对不同芯片和模块组合的接口管理，同时实现了不同角色的开发人员之间代码的低耦合。
附图说明
图1为本发明实施例的低功耗智能燃气表的结构示意图；
图2为本发明实施例的轻触开关的结构示意图；
图3为本发明实施例的低功耗智能燃气表的内部结构示意图；
图4为本发明实施例的分层式逻辑构架的结构示意图；
图5为本发明实施例的低功耗智能燃气表的系统上电流程图；
图6为本发明实施例的低功耗智能燃气表的数据传输流程图。
具体实施方式
下面根据附图1～图6，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1～图4，本发明实施例的一种低功耗智能燃气表，包括一智能燃气表本体1、一开盖触发装置2和一盖体3；盖体3与智能燃气表本体1可拆卸地固定配合；智能燃气表本体1包括一处理器101、一存储器102和一通信芯片103，存储器102和通信芯片103连接处理器101；开盖触发装置2连接于智能燃气表本体1和盖体3之间，并连接处理器101。
开盖触发装置2、处理器101和通信芯片103的配合，使得盖体3开启的操作会立即触发防篡改事件并通知处理器101，可实现对用户非法开盖事件的监测，同时将该事件记录并报警告知维护人员。
本实施例中，开盖触发装置2采用轻触开关。轻触开关包括一伸缩顶杆21和与伸缩顶杆21传动连接的四个触脚22，轻触开关固定于燃气表本体1，伸缩顶杆21压缩于智能燃气表本体1和盖体3之间或压缩于智能燃气表本体1和盖体3的凸柱31之间，当打开盖体3时，伸缩顶杆21伸出带动触脚22运动，断开或连接与处理器101之间的电路，进而产生触发信号。在其他实施例中，轻触开关的结构不做限制可采用任意现有的轻触开关。
通信芯片103采用NB-IoT蜂窝网络通信芯片。
NB-IoT蜂窝网络通信芯片的采用，可将数据通信时功耗降低至300豪安级别，配合固件的低功耗系统设计能够显著地提升使用等量电池的情况下智能燃气表的使用寿命。本实施例中，NB-IoT蜂窝网络通信芯片型号为BC95。
NB-IoT(窄带物联网)采用的是国际标准可与现蜂窝网融合演进的低成本电信级的高可靠性、高安全性广域物联网技术，其覆盖范围更广更深、成本更低，并且支持海量连接。
智能燃气表本体1还包括一光电直读累加器14、至少一控制按键105、一第一电源106、一显示器107、一第二电源108、一DC开关109和一电机阀110；第一电源106与处理器101电连接，控制按键105、显示器107、DC开关109和电机阀110与处理器101电连接；第二电源108与DC开关109、电机阀110和通信芯片103电连接。
第一电源106用于为处理器101供电，第二电源108用于为电机阀110和通信芯片103供电。本实施例中，第一电源106采用3.6伏锂电池；第二电源108采用4节1.5伏干电池组。光电直读累加器14用于通过光电信号转换得到机械字轮读数。
本实施例中，显示器107采用低功耗液晶断码屏，用于同步燃气表计数字轮数值至显示器107，并能够提示用户使用燃气表过程中的状态信息，如故障、干扰、低电量等。
处理器101包括型号为STM32L152VD的32位低功耗微处理器。处理器101设置有分层式逻辑构架，分层式逻辑构架包括一FreeRTOS嵌入式操作系统414。
FreeRTOS嵌入式操作系统414是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。
存储器102采用一串行flash存储器。串行flash存储器为低功耗SPI存储设备，用于存储历史记录。
本发明实施例的一种低功耗智能燃气表还包括多个软件功能模块，包括：
计量管理模块，用于管理燃气表计数通过脉冲计数或光电编码字轮的形式给到处理器101的数字信号，可管理干簧管或光电直读累加器14。能够监测到燃气表使用过程中流量过大、流量过小和读数回退等异常流量。
按键检测模块，用于维护一个用户按键事件，通过短/长按键与显示器107构成人机交互。
防篡改模块，用于监测用户非法开盖事件，同时将该事件记录并报警告知维护人员。
显示模块，用于同步计数字轮数值至显示器107，并能够提示用户使用燃气表过程中的状态信息，如故障、干扰、低电量等。
通信控制模块，用于网络通信功能的软件接口定义，包括启动流程、推送数据和接收数据、数据流处理和协议分析等。
电机阀控制模块，用于管理电机阀110实施打开和关闭阀门的操作，同时能够监测阀门泄漏事件。
日志存储模块，用于将燃气表小时计量数据、日计量数据、月计量数据、系统日志等进行定期存储至外存储器供查询之用。
供电监测模块，用于电源管理。
本发明的一种基于本实施例的低功耗智能燃气表的分层式逻辑构架，包括一中间层4和一业务层5，中间层4包括：一中间层任务管理器41、一第一应用模块42和一第一驱动模块43；业务层5包括：一业务层任务管理器51、一第二应用模块52和一第二驱动模块53；
业务层任务管理器51与中间层任务管理器41通信连接，第一应用模块42与中间层任务管理器41和第二应用模块52通信连接，第一驱动模块43与第一应用模块42和第二驱动模块53通信连接，第二驱动模块53与第二应用模块52通信连接；
中间层4用于统一封装硬件模块功能和系统基础逻辑功能；
业务层5用于通过调用中间层4的接口控制对应的硬件；
第一驱动模块43和第二驱动模块53用于处理器101的原生库函数的多级封装，将芯片原厂的驱动代码进行封装成统一接口，通过将驱动层封装，为系统移植带来便利。
其中，中间层任务管理器41包括：一菜单任务管理模块411、一事件任务管理模块412、一业务层请求任务管理模块413和FreeRTOS嵌入式操作系统414，其中，一菜单任务管理模块411用于管理按键与菜单交互；事件任务管理模块412用于管理以处理器101为核心的控制板板载资源触发的中断事件，中断事件包括按键、时钟和唤醒；业务层请求任务管理模块413用于处理来自业务层5的应用请求；FreeRTOS嵌入式操作系统414用于提供系统调度和函数接口；
第一应用模块42包括：一中间层初始化模块421和一中间层应用模块和函数接口模块422；其中，中间层初始化模块421用于按照中间层4任务分配FreeRTOS嵌入式操作系统414资源；中间层应用模块和函数接口模块422用于按模块实现第一外设功能，第一外设功能包括LCD显示菜单项、时钟闹钟管理和供电电压采集。
业务层任务管理器51包括：一通信任务模块511、一业务层事件任务模块512、一阀门控制任务模块513和一中间层通知任务模块514；其中，通信任务模块511用于管理维护膜式燃气表对外通信接口，例如本地串口通信和NB-IoT网络通信，例如网络上报的信号量、外部存储器读写队列、阀门控制队列和通信协议处理队列等；业务层事件任务模块512用于处理业务层5各模块之间的信息通信传递；阀门控制任务模块513用于处理阀门控制请求，阀门控制请求包括：掉电I/O中断、按键I/O中断和通信协议的阀门控制通知；中间层通知任务模块514用于处理中间层4以共享形式给出的事件通知，事件通知包括：小时/天事件、掉电/上电事件和开盖/合盖事件。
第二应用模块52包括：一业务层初始化模块521和一业务层应用模块和函数接口模块522，其中，业务层初始化模块521用于按照中间层4任务分配FreeRTOS嵌入式操作系统414资源；业务层应用模块和函数接口模块522用于按模块实现第二外设功能，第二外设功能包括NB-IoT通信、远程控制阀门和网络手动/自动上报。
另外，第一驱动模块43包括一中间层驱动模块431、一中间层外设和I/O硬件抽象层模块432、一业务层I/O硬件抽象层模块433和一STM32L1外设库模块434,；第二驱动模块53包括一业务层驱动模块531和一业务层外设硬件抽象层模块532。
硬件抽象层(HAL)，是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的在于将硬件抽象化，隐藏了特定平台的硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，可在多种平台上进行移植。
处理器101结合FreeRTOS嵌入式操作系统414同时利用代码分区分层设计的结构，可有效提高模块代码之间的耦合度。
本发明实施例的分层式逻辑构架，将燃气表控制板的驱动和业务逻辑分离，同时使用FreeRTOS嵌入式操作系统414将系统调用和特定处理器101分离，真正实现了程序逻辑和底层的独立。通过分层结构可以有效避免在业务逻辑中直接操作底层如中断控制和存储器的访问，做到了针对不同芯片和模块组合的接口管理，同时实现了不同角色的开发人员之间代码的低耦合。
请参见图3～图5，本发明实施例的一种低功耗智能燃气表，其系统上电工作步骤如下：
第一步：上电或者复位，其中复位可是看门狗超时引起的或者软件复位；
第二步：启动引导选择加载的代码分区，进行硬件初始化、中间层4初始化、业务层5初始化，完成所有分区代码初始化后启动FreeRTOS嵌入式操作系统414的系统调度器；
第三步：运行中间层任务管理器41，启动时钟触发周期性唤醒中断，并设定相关任务的闹钟时间，中间层4产生的事件如有共享给业务层5的，待业务层5收到通知后执行并处理；
第四步：无操作后FreeRTOS嵌入式操作系统414进入空闲状态，判断是否需要进入低功耗停止模式，如业务层5逻辑执行完毕同时中间层4无事件或消息通知时，直接进入停止模式，否则继续运行中间层4任务；
第五步：处理器101在低功耗停止模式下被周期性中断唤醒，此时中断处理函数里面进行了喂看门狗的操作，即清空看门狗计数器，如若喂看门狗超时则复位进入到第一步。以此循环往复。
请参见图3、图6，本发明实施例的一种低功耗智能燃气表可通过人工手动或由其处理器101闹钟定时主动发起数据传输，其事件符合本实施例的分层式逻辑构架，具体为手动或闹钟振铃的事件唤醒处理器101，触发驱动层中断通知到中间层4，中间层4再通过FreeRTOS嵌入式操作系统414的系统调用共享事件给到业务层5，业务层5执行通信任务，将NB-IoT蜂窝网络通信芯片启动并初始化，查找读数信息并推送给远程服务器完成数据交互后结束任务，释放FreeRTOS嵌入式操作系统414的系统资源。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低功耗智能燃气表，其特征在于，包括一智能燃气表本体、一开盖触发装置和一盖体；所述盖体与所述智能燃气表本体可拆卸地固定配合；所述智能燃气表本体包括一处理器、一存储器和一通信芯片，所述存储器和所述通信芯片连接所述处理器；所述开盖触发装置连接于所述智能燃气表本体和所述盖体之间，并连接所述处理器。
2.根据权利要求1所述的低功耗智能燃气表，其特征在于，所述开盖触发装置采用轻触开关。
3.根据权利要求1所述的低功耗智能燃气表，其特征在于，所述通信芯片采用NB-IoT蜂窝网络通信芯片。
4.根据权利要求3所述的低功耗智能燃气表，其特征在于，所述智能燃气表本体还包括一光电直读累加器、至少一控制按键、一第一电源、一显示器、一第二电源、一DC开关和一电机阀；所述第一电源与所述处理器电连接，所述控制按键、所述显示器、所述DC开关和所述电机阀与所述处理器电连接；所述第二电源与所述DC开关、所述电机阀和所述通信芯片电连接。
5.根据权利要求4所述的低功耗智能燃气表，其特征在于，所述处理器包括型号为STM32L152VD的32位低功耗微处理器。
6.根据权利要求1～5任一项所述的低功耗智能燃气表，其特征在于，所述处理器设置有所述分层式逻辑构架，所述分层式逻辑构架包括一FreeRTOS嵌入式操作系统。
7.根据权利要求6所述的低功耗智能燃气表，其特征在于，所述存储器采用一串行flash存储器。
8.一种基于权利要求6所述的低功耗智能燃气表的分层式逻辑构架，其特征在于，包括一中间层和一业务层，所述中间层包括：一中间层任务管理器、一第一应用模块和一第一驱动模块；所述业务层包括：一业务层任务管理器、一第二应用模块和一第二驱动模块；
所述业务层任务管理器与所述中间层任务管理器通信连接，所述第一应用模块与所述中间层任务管理器和所述第二应用模块通信连接，所述第一驱动模块与所述第一应用模块和所述第二驱动模块通信连接，所述第二驱动模块与所述第二应用模块通信连接；
所述中间层用于统一封装硬件模块功能和系统基础逻辑功能；
所述业务层用于通过调用所述中间层的接口控制对应的硬件；
所述第一驱动模块和所述第二驱动模块用于所述处理器的原生库函数的多级封装。
9.根据权利要求8所述的分层式逻辑构架，其特征在于，所述中间层任务管理器包括：
一菜单任务管理模块，用于管理按键与菜单交互；
一事件任务管理模块，用于管理以所述处理器为核心的控制板板载资源触发的中断事件，所述中断事件包括按键、时钟和唤醒；
一业务层请求任务管理模块，用于处理来自所述业务层的应用请求；以及
所述FreeRTOS嵌入式操作系统用于提供系统调度和函数接口；
所述第一应用模块包括：
一中间层初始化模块，用于按照中间层任务分配所述FreeRTOS嵌入式操作系统资源；和
一中间层应用模块和函数接口模块，用于按模块实现第一外设功能，所述第一外设功能包括LCD显示菜单项、时钟闹钟管理和供电电压采集。
10.根据权利要求9所述的分层式逻辑构架，其特征在于，所述业务层任务管理器包括：
一通信任务模块，用于管理维护膜式燃气表对外通信接口；
一业务层事件任务模块，用于处理所述业务层各模块之间的信息通信传递；
一阀门控制任务模块，用于处理阀门控制请求，所述阀门控制请求包括：掉电I/O中断、按键I/O中断和通信协议的阀门控制通知；以及
一中间层通知任务模块，用于处理所述中间层以共享形式给出的事件通知，所述事件通知包括：小时/天事件、掉电/上电事件和开盖/合盖事件；
所述第二应用模块包括：
一业务层初始化模块，用于按照中间层任务分配所述FreeRTOS嵌入式操作系统资源；以及
一业务层应用模块和函数接口模块，用于按模块实现第二外设功能，所述第二外设功能包括NB-IoT通信、远程控制阀门和网络手动/自动上报。
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