李文軍 高建陽 劉 潔 鄭永軍

(中國計量學(xué)院熱工研究所，浙江 杭州 310018)

一種無線自組網(wǎng)天然氣抄表系統(tǒng)

李文軍 高建陽 劉 潔 鄭永軍

(中國計量學(xué)院熱工研究所，浙江 杭州 310018)

對天然氣民用計量領(lǐng)域中的無線抄表方式進行了研究。為解決人工抄表耗費人工資源、用戶數(shù)據(jù)安全、入戶抄表難等問題，引入了一種分群算法建立無線自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)，系統(tǒng)由燃氣管理中心、手操器和支持無線自組網(wǎng)的燃氣表三部分組成。提出了一套完整的抄表設(shè)計方案，實現(xiàn)了燃氣數(shù)據(jù)的無線傳輸。系統(tǒng)具有功耗低、抄表效率高等特點。

分群算法 無線數(shù)據(jù)傳輸 手操器 無線燃氣表 自組網(wǎng)

0 引言

天然氣作為一種新興的燃氣能源，因其無污染、燃燒值高而得到廣泛應(yīng)用，并帶動了燃氣業(yè)計量技術(shù)的發(fā)展。在民用領(lǐng)域，抄表方式多采取人工入戶抄表，但是這種比較傳統(tǒng)的抄表方式難以滿足社會的實際需求。因此，須研發(fā)具有無線自動抄表功能的燃氣表以及建立無線抄表系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)分為三層。第一層是無線網(wǎng)絡(luò)，由集成了CC1101無線收發(fā)器的燃氣表構(gòu)成；第二層是手操器，手操器上集成有CC1101無線收發(fā)器；第三層是燃氣管理中心。系統(tǒng)第一層所選用的工作頻段為433 MHz，對墻體穿透能力較強，適用于居民樓宇中的組網(wǎng)。通信協(xié)議采用的自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)合了TI公司的點對點網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與分群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，省去了路由節(jié)點，降低了單個節(jié)點的負荷。系統(tǒng)第二層的手操器以ARM為核心，集成有無線射頻通信模塊，負責(zé)采集節(jié)點數(shù)據(jù)，并對燃氣表參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行設(shè)置。系統(tǒng)第三層為燃氣管理中心，是系統(tǒng)的信息庫，包含整個用戶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息[2]。

2 燃氣表結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

無線燃氣表是抄表系統(tǒng)的終端部分，存儲著用戶使用燃氣的所有信息[3]。燃氣表的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 燃氣表結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the structure of gas meter

燃氣表的電路部分包含一個具有低功耗功能的單片機，外部電路包括電源電路、計數(shù)電路、低電壓檢測電路、閥門控制電路、液晶顯示電路、IC卡預(yù)付費電路、基于CC1101的無線收發(fā)電路。在燃氣表電路中，電源使用4節(jié)1.5 V鋰電池供電，并具有兩重低電壓檢測電路。當(dāng)電池電壓低于5 V時，液晶屏?xí)霈F(xiàn)更換電池字樣，蜂鳴器開啟報警，采用雙重功能提醒用戶更換電池。若用戶沒有更換電池，電池電壓低于4.8 V后，燃氣表會自動關(guān)閉閥門，停止供氣。

作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線燃氣表采用的主控芯片是MSP430F417單片機，單片機和它的外圍電路可以實現(xiàn)液晶顯示功能、計量統(tǒng)計功能、數(shù)據(jù)存儲功能等。

2.2 主電路設(shè)計

無線燃氣表主控芯片選擇的MSP430F417是一種具有低功耗功能的單片機，對于電池供電的小型儀表非常適用。MSP430F417單片機及外圍電路圖如圖2所示。

圖2 MSP430F417最小系統(tǒng)電路圖Fig.2 Circuit of the minimum MSP430F417 system

2.3 無線模塊電路設(shè)計

無線模塊采用芯片CC1101，其外圍電路圖如圖3所示。

圖3 無線射頻模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of the wireless RF module

由于無線部分易受外界干擾，因此做成了一個獨立板，留有排針插口，可以直接插在主板上。這種設(shè)計可以用于不帶無線收發(fā)功能的IC卡燃氣表，也可以應(yīng)用于帶有無線功能的無線燃氣表。

2.4 電源電路設(shè)計

電源電路如圖4所示。電源模塊采用4節(jié)1.5 V鋰電池供電，包含兩塊低電壓檢測芯片，分別為圖4中的U1和U3。當(dāng)電池電壓低于5 V時，與U1相連接的單片機管腳PowerLow_1會發(fā)生一個電平的跳變。單片機收到跳變信號后會通知蜂鳴器發(fā)出低電壓報警命令，并使液晶顯示“電池電量低”字樣，提醒用戶更換電池。當(dāng)電池電壓低于4.8 V時，與U3相連接的單片機管腳PowerLow_2也會發(fā)生一個電平的跳變。此時單片機會控制關(guān)閉閥門，停止對用戶供氣，同時液晶顯示“更換電池”字樣。

圖4 電源電路Fig.4 Circuit of the power supply

芯片U5為一個穩(wěn)壓芯片，輸出電壓為3.3 V，為整個板子供電。另外，電源電路還加裝了一個法拉電容，充當(dāng)臨時電源。上電時，該法拉電容充電；當(dāng)電池電壓低于某個值時，該電容充當(dāng)臨時電源。

3 手操器設(shè)計

手操器連接燃氣表和管理中心，負責(zé)將燃氣表的信息傳遞給管理中心，以及按照管理中心的要求更改燃氣表的參數(shù)。

手操器具有體積小、攜帶方便、操作簡單、手感舒適、數(shù)據(jù)自動錄入、無需入戶抄表等特點，適合現(xiàn)階段燃氣行業(yè)抄表自動化的需求。手操器還具有抄表和氣表檢測的功能。為了滿足自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)的要求，手操器設(shè)置了氣表群抄的功能，按下按鈕就可以對燃氣表集中進行抄寫，抄表完成以后顯示已抄表數(shù)目、未抄表數(shù)目，以及未抄表的用戶信息。抄表過程中會顯示用戶名、氣表編號、總用氣量以及氣表地址等一系列信息。通過手操器可以更改燃氣表內(nèi)用氣價格，當(dāng)手操器與燃氣表成功通信以后，會立即更改表內(nèi)氣價。

手操器對于燃氣表的操作均建立在CC1101通信模塊之上，CC1101連接燃氣表和手操器。手操器完成抄表后會將數(shù)據(jù)傳遞給管理中心，手操器和管理中心之間通過RS-232或者USB模塊進行連接,如圖5所示。

圖5 手操器與管理中心連接圖Fig.5 Connections between the handheld terminal and management center

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

為了實現(xiàn)樓宇之間燃氣表的相互通信，采用了433 MHz頻段進行無線通信。通信協(xié)議采用的是以分群算法為基礎(chǔ)的自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。系統(tǒng)采用的是類網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)[6-7]。

4.1 單個分群網(wǎng)絡(luò)

圖6是燃氣表抄表系統(tǒng)中一個小的分群網(wǎng)絡(luò)，其中“1.1”代表群首節(jié)點，“1”代表群內(nèi)子節(jié)點。每個群內(nèi)子節(jié)點“1”都會和包含群首節(jié)點在內(nèi)的3個節(jié)點之間存在直接聯(lián)系，而群首節(jié)點會和每個子節(jié)點有通信關(guān)系。一般情況下，分群內(nèi)的各個子節(jié)點之間不會有直接的通信，都是群首節(jié)點直接給各個子節(jié)點發(fā)布命令，并且直接接收來自各個子節(jié)點的信息。當(dāng)群首節(jié)點發(fā)生故障時，各個子節(jié)點會建立通信，并將信息傳遞給手操器。

圖6 分群網(wǎng)絡(luò)圖Fig.6 The clustering network

4.2 抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

圖7是整個燃氣表抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖。其中a、b、c代表的是3個子分群網(wǎng)絡(luò)；“1.1”、“2.1”、“3.1”代表的是3個不同分群中的群首節(jié)點。各個群首節(jié)點負責(zé)向群內(nèi)子節(jié)點發(fā)布命令，以及收集群內(nèi)子節(jié)點的信息。

圖7 燃氣表抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Network structure of the gas meter reading system

由圖7可以看出，群首節(jié)點可以直接和手操器進行通信，同時各個群首節(jié)點之間也存在著通信。當(dāng)手操器處于RF模塊可直接通信范圍內(nèi)時，群首節(jié)點直接和手操器進行通信；當(dāng)手操器處于部分節(jié)點燃氣表無法通信的范圍內(nèi)時，群首節(jié)點會把本群內(nèi)所有的信息傳遞給另外的、可以和手操器進行直接通信的群首節(jié)點。

手操器抄表前會在燃氣管理中心下載有關(guān)需要抄表用戶的信息，抄表完成以后，手操器會將抄表信息傳遞給燃氣管理中心，完成一個完整的抄表過程。其中，手操器和燃氣管理中心之間的聯(lián)系是通過RS-232或者USB通信完成的。

設(shè)計的自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)綁定了每個網(wǎng)絡(luò)分群的物理地址，各個節(jié)點也綁定有固定的物理地址，一般按照某小區(qū)某單元某樓層某個住戶進行定義。這種定義使組網(wǎng)速度更快，且節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。

燃氣表屬于電池供電的家用小型儀表，功耗對于這類儀表非常重要，無線收發(fā)需要消耗大量的電流，因此盡可能地降低電流消耗，延長電池使用壽命成為判定燃氣表性價比的一個標(biāo)準(zhǔn)。

為了解決這一問題，結(jié)合CC1101無線收發(fā)器的功能，組網(wǎng)中使用載波偵聽、電磁波喚醒功能，每隔一段時間自動喚醒無線模塊進行數(shù)據(jù)偵聽。如果接收到抄表命令,則進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；沒有接收到抄表命令,則進入睡眠模式，如此周而復(fù)始。無線模塊每次偵聽數(shù)據(jù)時有較大的電流消耗，大約為30～40 mA；睡眠模式下消耗電流為17 μA左右。

5 軟件設(shè)計

5.1 燃氣表軟件設(shè)計

根據(jù)MSP430系列單片機的自身特點，編程采用C語言，并使用模塊化設(shè)計。系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷服務(wù)程序和一系列的功能子程序組成。主程序主要完成系統(tǒng)的監(jiān)控、系統(tǒng)的初始化、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲和開中斷等。系統(tǒng)的測量、通信、按鍵和數(shù)據(jù)顯示等均通過中斷與主程序相連。系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

圖8 燃氣表主程序流程圖Fig.8 Flowchart of the main program of gas meter

5.2 手操器軟件設(shè)計

手操器軟件流程圖如圖9所示。

圖9 手操器主程序流程圖Fig.9 Flowchart of the main program of handheld terminal

手操器的軟件設(shè)計主要有兩個部分，分別為手操器與無線模塊。手操器包含有手操器的鍵盤設(shè)置、界面設(shè)置、數(shù)據(jù)庫建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。無線模塊部分將手操器上設(shè)置的數(shù)據(jù)通過無線模式傳輸給無線燃氣表，并采集數(shù)據(jù)。

6 功耗測試

無線模塊是整個燃氣表中功耗比較大的一個模塊，因此需要將無線模塊的功耗控制在一定范圍，以保證整個燃氣表的低功耗特性。由于外部晶振對于功耗有很大影響，表1列出了包含有無線模塊與不包含有無線模塊的線路板分別在兩種外部時鐘源模式下的功耗值。

表1 外部晶振及線路板功耗大小Tab.1 Power consumptions of the external crystal oscillator and circuit board

在測試過程中，針對發(fā)射功率為10 dB的情況，對處于3 s偵聽模式下的無線模塊的發(fā)射功率、接收功率，以及睡眠模式下的電流消耗、無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸距離進行了測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 功耗及傳輸距離Tab.2 Power consumption and transmission distance

燃氣表端的功耗分析如下所示。

① 無線模塊功耗。在3 s周期喚醒模式下，每3 s進行一次數(shù)據(jù)收發(fā)。接收狀態(tài)下的最大電流消耗為16 mA，接收時間為15 ms；發(fā)送狀態(tài)下的最大電流消耗為50 mA，發(fā)送時間為1 ms；睡眠模式下的最大電流消耗為11 μA，則其平均電流為：

I1= 16 mA×15 ms/3 s+50 mA×

1 ms/(24×3 600 s)+

11 μA×2.985 s/3 s=90.95 μA

(1)

② 干簧管模塊功耗。干簧管屬于無源器件，其驅(qū)動電壓為3.3 V，主要電流消耗是1 MΩ的上拉電阻，消耗電流為3.3 V/1 MΩ=3.0 μA。因脈沖時間極短，此部分的電流消耗可以忽略。

③ MSP430F417與液晶顯示模塊功耗。單片機處于工作模式時，每3 s進行一次數(shù)據(jù)處理，每次消耗的電流為400 μA，時間為40 ms。當(dāng)單片機進入睡眠模式時，除了液晶顯示和電源模塊，別的模塊均處于關(guān)閉狀態(tài)，電流消耗為15 μA，則其平均電流為：

I3=400 μA×40 ms/3 s+15 μA=20.33 μA

(2)

④ 閥門驅(qū)動模塊功耗。燃氣表閥門開啟關(guān)閉動作瞬間的電流消耗大約為15 mA，但是這個過程的時間持續(xù)很短，所以其消耗可以忽略不計。一般狀況下閥門均處于開啟狀態(tài)，閥門開啟狀態(tài)下的電流消耗為30 μA，則其平均電流消耗為：

I4=30 μA

(3)

⑤ IC卡模塊功耗。IC卡讀卡消耗電流15 mA，讀卡時間為2.5 ms，則平均電流消耗為：

I5=15 mA×2.5 ms/(24×3 600 s)=0.000 4 μA

⑥ 整體的功耗。

I=(I1+I3+I4+I5)×24=3.39 mAh

(4)

一節(jié)干電池容量按2 500 mAh計算，理論上，燃氣表可以不更換電池工作兩年。

7 結(jié)束語

根據(jù)燃氣公司需求，設(shè)計了一種基于CC1101無線收發(fā)器的自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)。對硬件部分進行了設(shè)計，研究了組網(wǎng)協(xié)議，建立了一套抄表方案。設(shè)計的無線自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)具有成本低、效率高和低功耗等特點。

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A Wireless Ad-hoc Network Natural Gas Meter Reading System

The wireless meter reading modes in civil natural gas metering field are researched. In order to solve the problems of manual meter reading, including time consuming and laborious, security of the user data, and hard to access, the wireless Ad-hoc network meter reading system established by clustering algorithm is introduced. The system is composed of three parts, i.e., gas management center, handheld terminals and the wireless Ad-hoc network supported gas meters. The complete design strategy for meter reading is proposed for implementing wireless transmission of the gas data. The system features low power consumption and high meter reading efficiency.

Clustering algorithm Wireless data communication Handheld terminal Wireless gas meter Ad-hoc network

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項基金資助項目(編號：201410133)。

李文軍(1970-)，男，1996年畢業(yè)于南昌大學(xué)工程熱物理專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事熱工儀表及測試計量技術(shù)的研究。

TH814

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506012

浙江省科學(xué)技術(shù)廳重大科技專項重點科研項目(編號：2013C01137);

修改稿收到日期：2014-09-18。