汪宋良

（寧波城市職業(yè)技術學院 信息學院，浙江 寧波 315100）

智能型無線抄表系統(tǒng)又稱天然氣智能型無線集抄系統(tǒng)（以下簡稱燃氣集抄系統(tǒng)），是智慧城市建設中新一代信息化、數(shù)字化、智能化儀器儀表新產(chǎn)品，要大力研究開發(fā)與推廣。燃氣集抄系統(tǒng)是通過無線網(wǎng)絡方式將小區(qū)用戶天然氣數(shù)值自動上傳到天然氣總公司，替代傳統(tǒng)人工抄表方式，節(jié)省勞動力，提高效率。它融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)等網(wǎng)絡技術實現(xiàn)智慧產(chǎn)業(yè)、智慧服務、智慧管理、智慧生活等為重要內(nèi)容的城市發(fā)展的新模式。實現(xiàn)住宅的燃氣自動抄表、自動計費及智能化，已成為新型智能小區(qū)的必備條件。隨著住宅智能化的發(fā)展，抄表系統(tǒng)的應用范圍開始在全國各大、中城市逐漸擴大?！蛾P于建設智慧城市的決定 （甬黨[2010]14號）》和《寧波市智慧城市發(fā)展總體規(guī)劃》文件指出，力爭到2020年寧波躋身于國際智慧城市的行列，所以無線燃氣集抄系統(tǒng)應用和研究尤為重要。

1 總體設計方案

本系統(tǒng)包括燃氣表模塊、集抄器、GPRS/GSM模塊和帶系統(tǒng)軟件的主站等部分，手持終端是系統(tǒng)的補充，在系統(tǒng)出現(xiàn)意外時進行安裝調(diào)試、人工手持抄表或維修測試等，系統(tǒng)結構圖如1所示。

圖1 無線燃氣集抄系統(tǒng)

系統(tǒng)工作流程如下：正常情況下，燃氣表定時記錄燃氣使用量并保存于內(nèi)存中，同時接收欠壓、緊急關閥、安全報警和機械故障等外部中斷；除以上工作外，負責定期把表數(shù)據(jù)上發(fā)給集抄器。集抄器抄取所有燃氣表數(shù)據(jù)，且負責上傳數(shù)據(jù)給GPRS/GSM模塊[2-3]（負責整個小區(qū)燃氣表數(shù)據(jù)量收集），最后由GPRS/GSM模塊通過GPRS無線方式上傳本小區(qū)所有表數(shù)據(jù)給天然氣公司。反之，天然氣公司可對某一個燃氣表或集抄器操作，比如天然氣公司可通過GPRS/GSM無線網(wǎng)絡下發(fā)命令，再由GPRS/GSM模塊中繼到燃氣表或集抄器。手持設備只能與燃氣表或集抄器通信，一般只在安裝、調(diào)試、維修中使用。銀行可以讀取天然氣公司數(shù)據(jù)庫信息，對其中信息統(tǒng)計、結算，用戶通過網(wǎng)上或銀行付費。系統(tǒng)通信具體流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信流程圖

2 硬件電路設計

燃氣終端主要由燃氣表控制電路組成，一戶一表，它詳細記錄用戶使用燃氣情況、表狀態(tài)信息；負責數(shù)據(jù)采集、處理、存儲等工作；隨時檢測異常情況，比如欠壓、欠費、防盜、故障等；與此同時，還要負責與集抄器數(shù)據(jù)通信。由圖3所示，無線燃氣表具有燃氣計量功能、無線收發(fā)功能、主控制器、閥門控制、LCD顯示、報警功能、欠壓檢測和存儲功能等。硬件原理圖如圖4所示。

圖3 燃氣表功能框圖

圖4 燃氣表原理圖

無線集抄器通過收發(fā)模塊接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，該方式無需敷設線路，而且維護、安裝方便。一般來說，每棟居民樓安裝一個集抄器，負責自動抄取本棟樓所有燃氣表數(shù)據(jù)，功能模塊圖如5所示。

圖5 集抄器功能框圖

集抄器通過無線收發(fā)模塊與外界通信，一方面通過無線方式抄取本樓所有表數(shù)據(jù)；另一方面通過無線方式把表數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。集抄器抄取表數(shù)據(jù)都存儲于內(nèi)存中，主控制器通過讀/寫存儲器得到數(shù)據(jù)。有線接口是備用方式，如果無線收發(fā)模塊無法通信時，可以使用有線接口現(xiàn)場抄取表數(shù)據(jù)。

GPRS/GSM模塊是連接集抄器與天然氣公司的樞紐，通過GPRS/GSM模塊，小區(qū)所有燃氣表數(shù)據(jù)被發(fā)送到天然氣公司數(shù)據(jù)庫中心存儲、分析、處理；同時，上位機指令通過GPRS/GSM模塊下發(fā)到集抄器或燃氣表。如圖6所示，GPRS/GSM模塊位于每個小區(qū)中，且只有一個，所有小區(qū)表數(shù)據(jù)通過每棟集抄器傳送到GPRS/GSM模塊，然后由它發(fā)送給天然氣公司。通信過程主要有以下兩點：（1）天然氣公司通過GPRS無線網(wǎng)絡下發(fā)指令到終端；（2）終端數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡上傳到天然氣公司。

圖6 GPRS/GSM功能框圖

3 軟件設計與協(xié)議

燃氣表終端軟件控制整個硬件的運行，無線通信的傳輸速率、頻道以及雙方地址等參數(shù)配置；無線信號的相互握手；燃氣表運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)采集、保存和處理等。因此，系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的主要功能有3點：控制AT86RF211S射頻模塊無線通信，實現(xiàn)燃氣表運行數(shù)據(jù)采集和保存，實現(xiàn)本機與集抄器數(shù)據(jù)通信。程序主框圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

集抄器程序流程如圖8所示，主要負責燃氣表數(shù)據(jù)收集。由于距離和穿墻性制約，集抄器不能直接與GPRS/GSM模塊通信，而需要通過中繼節(jié)點實現(xiàn)，本文提出泛洪技術實現(xiàn)集抄器與GPRS/GSM模塊之間通信。

圖8 集中器集抄流程圖

針對泛洪技術的缺點，本文提出了S-ALOHA網(wǎng)絡協(xié)議[4-5]，它有效克服了網(wǎng)絡發(fā)送的盲目性，通過隨機退避時間，能有效避免泛洪技術的隱藏和暴露節(jié)點問題。在幀格式中，順序控制域表示不同信息的序列號以及同一信息的重發(fā)序列號，網(wǎng)絡通過該標志判斷是否轉發(fā)信息。如果收到順序控制域與前一順序控制域相同，則不作任何處理；如果不相同則轉發(fā)（本機地址和目的地址不相同時）；當目的地址為本機地址時，則進入本機處理程序。如圖9所示，當12號集抄器發(fā)送數(shù)據(jù)給總集中器時，10號和13號集抄器同時收到，兩者通過隨機退避信道競爭，先后發(fā)送數(shù)據(jù)到8號集抄器，最后8號集抄器發(fā)送數(shù)據(jù)到總集中器。

圖9 通信過程示意圖

網(wǎng)絡層完整數(shù)據(jù)通信過程：首先，GPRS/GSM或手持設備端發(fā)送命令給集抄器，設置順序控制域，等待確認幀。集抄器收到命令后，回復確認信號，修改順序控制域中的D7D6值。然后，集抄器進入命令處理程序。如果要上傳數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRS/GSM或手持設備，修改順序控制域D7D6值，等待GPRS/GSM或手持設備確認信號。GPRS/GSM或手持設備收到數(shù)據(jù)后，回復確認信號，如果在每次通信中失敗，則數(shù)據(jù)需要重發(fā)。

假設：數(shù)值N，N為最大的隨機數(shù)取值；數(shù)據(jù)包固定時間長度To，To為集抄器發(fā)送所有表數(shù)據(jù)所需要時間，其與波特率和發(fā)送比特數(shù)有關。則：任何終端請求發(fā)送時，必須退避隨機時間 Time后才能發(fā)送，其中Time=To×Random（0，N）；任何終端接收到該數(shù)據(jù)后，等待一定時間 To×（N－Random （0，N）），在隨機退避時間后請求發(fā)送，其中Random（0，N）在 MAC層的時間域中定義，如圖10所示。

圖10 退避機制

從圖10可知，隨機退避算法是指任何終端發(fā)送請求時，必須根據(jù)算法退避一定的隨機時間。當任何終端接收到信息后，必須等待給定的剩余時間才能執(zhí)行下一步命令。其中，剩余時間是指任何設備接收到信息時，只有等待一定時間后才開放信道。本信道接入?yún)f(xié)議除兩種算法外，隨機數(shù)N也比較重要。

隨機退避算法：算法中定義了一個隨機數(shù)取值函數(shù)Random（0，N）、最大隨機數(shù)N。MAX和 MIN分別為退避計數(shù)器的最大值和最小值。隨機函數(shù)在最小值和最大值之間任意取值，取值概率相等。

本文對無線燃氣集抄系統(tǒng)的燃氣表終端、集抄器及GPRS通信模塊進行電路和軟件設計，提出了主動隨機退避算法。但由于時間和現(xiàn)有條件的限制，系統(tǒng)還有很多不足之處有待改進：（1）網(wǎng)絡多節(jié)點中繼延時性增加了系統(tǒng)不穩(wěn)定性，而且每一次中繼都會增加網(wǎng)絡延時，有效地優(yōu)化無線網(wǎng)絡延時問題，縮短中繼時間需更深入研究；（2）集抄器路由協(xié)議有待更深入研究。

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