胡 超 王賢禮 洪煥杰 裘 君

(浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 寧波 315100)

1 引 言

在現(xiàn)今社會生活中，燃氣表用戶數(shù)量龐大且分布廣。傳統(tǒng)的人工抄表方式不僅使工作人員的勞動強度大，還存在抄重和錯抄、準確性和實時性較差等問題[1,2]，給計量管理單位造成人力上的浪費，同時也給用戶增添了很多不便。有線抄表方式存在著線路布局復(fù)雜，不利于施工和后期維護等問題[3]。由于當(dāng)前的燃氣計量采用一戶一表方式[4]，這就決定了抄表系統(tǒng)具有兩個特點：一是數(shù)據(jù)采集點多，二是需要鋪設(shè)很廣的通信網(wǎng)絡(luò)。因此，需要一種方便、準確和及時的遠程燃氣抄表系統(tǒng)[5]。

無線通信技術(shù)有著安裝簡單、方便拓展及傳輸速度快等優(yōu)點[6]，其在燃氣抄表中的應(yīng)用能夠有效地對燃氣用戶進行監(jiān)控，也為實現(xiàn)基于不同季節(jié)、不同時段、不同質(zhì)量的智能化抄表和計價系統(tǒng)提供可靠經(jīng)濟的選擇。因此，研發(fā)一種無線自動抄表技術(shù)，實現(xiàn)燃氣數(shù)據(jù)實時、準確及高效的采集和傳輸，是人們關(guān)注的熱點[7,8]。一些發(fā)達國家和地區(qū)先后采用自動抄表系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工抄表方式。1986年，美國成立了自動抄表技術(shù)協(xié)會(AMRA)。1988年，美國 ITRON 公司推出具有實時雙向信息傳輸和分布式數(shù)據(jù)共享等技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)，標志著自動化抄表系統(tǒng)進入了一個嶄新的發(fā)展階段。而后，歐洲也成立自動抄表技術(shù)協(xié)會，并制定了無線抄表系統(tǒng)的統(tǒng)一標準。日本研制了一種基于電話線集中采集用戶數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，這種方式在技術(shù)上有一定的優(yōu)勢。但到目前為止，國際上還沒有一個統(tǒng)一的自動抄表系統(tǒng)標準，導(dǎo)致了無線抄表系統(tǒng)的多樣化[9]。國內(nèi)從 20世紀 90年代初開始自動抄表系統(tǒng)的研發(fā)，經(jīng)過 20多年發(fā)展，有線抄表方式已達到了批量使用[10]。近幾年，隨著電子和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)打破了國外的壟斷。尤其是近幾年，隨著智慧城市、智能家居等技術(shù)的普及，我國沿海發(fā)達地區(qū)和一些內(nèi)陸大、中城市，均在不同程度上建設(shè)了智能化示范小區(qū)，而自動抄表作為智能化的一個環(huán)節(jié)，技術(shù)也日趨成熟。

近年來，Wifi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展極其迅速，在手機、電腦和智能家居上得到廣泛應(yīng)用?；?Wifi無線通信技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)，利用Wifi與 Internet(因特網(wǎng))相結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可將物理數(shù)據(jù)信息從檢測裝置傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器管理系統(tǒng)。Wifi無線通信主要有兩種形式。一種是總線(如 Modbus 總線、RS485總線)結(jié)合 Wifi的上、下層結(jié)構(gòu)[11]。其中，下層表端不具有 WiFi無線通信功能，數(shù)據(jù)通過總線傳輸?shù)?Wifi無線終端；上層 Wifi網(wǎng)絡(luò)與 Internet 連接，接收下層數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)。另一種是表端集成 WiFi通信模塊，通過 Wifi直接將數(shù)據(jù)上傳遠程服務(wù)器[12]。相比于 GPRS、Zigbee 等形式，通過 WiFi具有直讀無線組網(wǎng)方式簡單、實時性高和維護方便的優(yōu)點，備受國內(nèi)外專業(yè)人員的關(guān)注[13,14]。Chandra 等[15]提出了一種基于樹莓派微機和 WiFi適配器的自動電能表。Hlaing 等[16]研發(fā)了使用 ESP8266Wifi模塊的單相數(shù)字電能計，實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。王科等[12]設(shè)計了用MK30N512VMDl00微控制器和 BCM8000WiFi模塊的智能電表，實現(xiàn)了組網(wǎng)。李先茂和費敏銳[11]提出智能小區(qū)的 Wifi自動抄表系統(tǒng)，上層采用 Wifi無線網(wǎng)絡(luò)與 Intemet 網(wǎng)相連接，下層則采用 Wifi無線網(wǎng)與 Modbus 現(xiàn)場總線(或 485總線)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。楊順和李明明[14]設(shè)計了基于ARM 和 Wifi技術(shù)的遠程自動抄表系統(tǒng)，采用RS485總線模式讓電表與采集器進行通信，而采集器則利用 Wifi無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接 Inernet 網(wǎng)實現(xiàn)與主站的通信。顯然 Wifi通信技術(shù)是發(fā)展方向，但上述的 Wifi通信技術(shù)主要應(yīng)用于電表的數(shù)據(jù)傳送，且一般通過底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)與 Internet 分開的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)形式較為復(fù)雜，不利于維護。而煤氣表因安全原因不能使用有線供電的方式，必須采用電池供電。其中，要求更換一次電池能運行兩年及以上時間，所以電路功耗需極低，如采用 6V 供電電池，其平均電流應(yīng)為幾十微安(μA)以下。此外，由于 Wifi通信有一定功耗，對系統(tǒng)運行方案提出了更高的要求[17]。

本文提出一種新型的基于 Wifi無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)直讀燃氣表抄表方案。首先，采用MSP430F4152微控制器作為主控芯片[18]，其中通過干簧管傳感器采集燃氣用量信息，進而微處理器實時控制 MT7681Wifi模塊并通過無線局域網(wǎng)路由器和遠程服務(wù)器建立連接；其次，按照需要，在特定的時間將燃氣表數(shù)據(jù)直接上傳到遠程服務(wù)器；最后，在 Web 服務(wù)器端實時顯示用戶燃氣使用情況。從而，達到煤氣表自動讀數(shù)、自動計價和網(wǎng)上在線查詢的目標[19]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機與電路系統(tǒng)

圖1(a)為煤氣表模塊，相應(yīng)電路組成如圖1(b)所示。模塊主控芯片選用具有超低功耗的MSP430F4152單片機，負責(zé)整個設(shè)備數(shù)據(jù)信息的處理，并協(xié)調(diào)各個子模塊的工作。該單片機接口能夠滿足系統(tǒng)功能需求，同時內(nèi)置 LCD 液晶驅(qū)動單元，可省掉外置液晶驅(qū)動芯片，減少開銷和降低功耗。

外圍模塊包括計量、Wifi無線通信、LCD顯示、IC 智能卡、閥控、電源及電壓檢測等模塊。其中，計量模塊利用磁感應(yīng)干簧管，當(dāng)煤氣氣體驅(qū)動機械渦輪旋轉(zhuǎn)，煤氣表的機械式滾輪指示器會產(chǎn)生變化，顯示用氣量。同時，渦輪不同位置上裝有兩個磁體，每轉(zhuǎn)一圈，裝在轉(zhuǎn)盤旁的干簧管會吸合兩次，產(chǎn)生兩個電脈沖，實現(xiàn)兩次電計數(shù)，單片機根據(jù)其計數(shù)值完成用氣量計量。

Wifi無線通信模塊把用戶的信息和數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程服務(wù)器。LCD 顯示模塊顯示用氣量、電池電量及各種運行狀態(tài)。IC 智能卡模塊與表端進行預(yù)付費、加費操作和數(shù)據(jù)交換。閥控模塊由專門設(shè)計的橋式驅(qū)動電路驅(qū)動電機開啟和關(guān)閉閥門。電源采用電池供電，通過電源管理模塊轉(zhuǎn)換后給控制器和 Wifi模塊提供 3.3V 電壓，而提供給IC 卡和電機驅(qū)動電路 5V 電壓。在各模塊選擇時，需要特別考慮功耗問題，如運行方式和參數(shù)選擇等。

2.2 Wifi模塊連接電路

WiFi(無線保真)是短距離的無線通信 WLAN的一個標準[20]，它包含了 IEEE802.11的一系列無線局域網(wǎng)協(xié)議。該技術(shù)采用 2.4GHz 的 ISM 頻段，具有傳輸速度高、組網(wǎng)靈活、穩(wěn)定性強的特點，能方便地與現(xiàn)有以太網(wǎng)整合，只需要安裝一個無線接入點就可以滿足指定區(qū)域信號的覆蓋，建網(wǎng)成本低。

本文系統(tǒng)采用 MT7681Wifi模塊，基于UART 接口標準，內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口到 Wifi的轉(zhuǎn)換。其中，MT7681無線通信模塊與 CPU 之間采用 UART 通信方式，與 Web 服務(wù)器之間采用 TCP/IP(802.11b/g)通信協(xié)議。MT7681模塊的工作電壓為 3.3V，可以在 AP(Access Point)和 STA(Station)兩種模式下工作。當(dāng)在 STA 模式工作時，工作方式與普通Wifi一樣。當(dāng)在 AP 模式工作時，該模塊不需要額外的 AP，就可以與其他的 Wifi模塊建立連接。圖2為 MT7681Wifi模塊連接圖。其中，圖2(a)為 MT7681的實物圖，圖2(b)為微控制器與MT7681模塊連接示意圖。MT7681模塊上電前應(yīng)確保 16RXD 引腳為低電平，待啟動系統(tǒng)后才可拉高。因此，通信電路設(shè)計時，在 MT7681模塊的 RXD 引腳和微控制器的 UART_TX 引腳間需添加一個延時電路。本文采用 74LVC3157芯片：當(dāng)芯片輸入引腳(S 腳)為低電平時，芯片的A 腳與 B0腳相連；當(dāng)輸入為高電平時，A 腳與 B1腳相連。系統(tǒng)上電后，MT7681模塊的 RXD 引腳首先連接 B0(地)，經(jīng)過 τ＝R2×C1延時后切換到與 B1(UART_TX)連接。圖2(b)中 UART_RX和 UART_TX 分別是微控制器串口的接收和發(fā)送引腳。

由于 Wifi模塊的功耗遠遠大于表端設(shè)備的其他模塊，為了避免 Wifi工作時電流激增對其他模塊造成影響，因此對 Wifi模塊進行單獨供電。

圖2 MT7681Wifi模塊連接圖Fig.2MT7681Wifimodule connections

3 軟件設(shè)計

Wifi系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。Wifi通信單元軟件設(shè)計主要由微控制器串口驅(qū)動 WiFi通信、Wifi模塊的初始化和數(shù)據(jù)收發(fā)控制 3個部分組成。該單元通過無線路由傳給遠端服務(wù)器，進行相應(yīng)處理。

圖3 Wifi系統(tǒng)工作流程圖Fig.3Working procedure of Wifisystem

3.1 微控制器串口驅(qū)動 Wifi通信

MSP430F4152微控制器通過串口方式控制Wifi模塊。通信前必須設(shè)置好串口的工作波特率。其中，MT7681支持 57.6kbps、115.2kbps、230.4kbps。在滿足微控制器和 MT7681同一波特率的情況下，模塊能正常接受單片機發(fā)送的指令或者數(shù)據(jù)，相應(yīng)協(xié)議如圖4所示。

圖4 串口報文幀格式Fig.4Frame format of the serial port data

其中，L 為用戶數(shù)據(jù)區(qū)字段的長度；C 為控制字段信息，表示 D 字段是控制命令還是數(shù)據(jù)，如果是控制命令，D 字段也應(yīng)跟上相對應(yīng)的控制幀信息。所有的命令或數(shù)據(jù)均以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送給Wifi模塊，模塊接收到數(shù)據(jù)幀之后，做出相對應(yīng)數(shù)據(jù)分析的操作。

3.2 模塊初始化

模塊的初始化通過微控制器引腳 P6.4(見圖2)控制模塊的 RST 引腳進行。當(dāng)燃氣表需要重啟 Wifi模塊時，微控制器給 P6.4引腳一個拉低脈沖信號，即可重新啟動 Wifi模塊，并進行參數(shù)設(shè)置，包括無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置以及 TCP/IP 連接參數(shù)設(shè)置。其中，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置包括 Wifi的SSID、密碼及安全認證模式等。TCP/IP 連接參數(shù)設(shè)置包括源端口和目標服務(wù)器端口號、源地址和目標服務(wù)器地址、幀最大長度以及 TCP 連接超時時間等。這些數(shù)據(jù)可使用 AT 指令通過串口設(shè)置到模塊中。初始化流程如圖5所示。

考慮到用戶無線路由器 SSID 和密碼的不定性，系統(tǒng)可采用 3種方案將無線路由器 SSID、密碼以及安全認證模式等傳給 MT7681無線模塊：(1)將 SSID、密碼以及安全認證模式等信息編寫到燃氣表設(shè)備的程序中。當(dāng)燃氣表啟動之后，微控制器將相關(guān)信息傳遞給 MT7681模塊。這種方式的缺點是當(dāng)用戶的無線路由器更改 SSID 或密碼后，必須重新下載燃氣表設(shè)備程序。(2)通過智能手機安裝 IoT Manager v0.96軟件將無線路由器 SSID、密碼及安全認證等信息傳遞給 MT7681模塊。即通過智能手機加入無線燃氣表設(shè)備所在的無線局域網(wǎng)，手機通過無線路由器與燃氣表設(shè)備進行通信。IoT Manager v0.96界面如圖6所示。(3)通過上位機將 Wifi的SSID、密碼以及安全認證模式等信息以串口的形式傳遞給 MT7681Wifi無線模塊，如圖7所示。

圖5 Wifi模塊初始化流程圖Fig.5Initiation procedure of the Wifimodule

3.3 數(shù)據(jù)收發(fā)控制

智能燃氣表的 Wifi通信鏈路層采用 TCP/IP協(xié)議。數(shù)據(jù)收發(fā)控制流程如圖8所示，燃氣表與服務(wù)器每次在傳輸數(shù)據(jù)之前都需要先檢查兩者之間是否保持著連接。服務(wù)器端與 Wifi模塊設(shè)置成一致的監(jiān)聽端口，當(dāng)服務(wù)器監(jiān)聽到 Wifi模塊申請連接時，執(zhí)行 TCP 握手完成連接。燃氣表的運行數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理，封裝成 Wifi模塊能識別的數(shù)據(jù)幀形式發(fā)送至 Wifi模塊，Wifi模塊收到后分析解包后將數(shù)據(jù)打包以無線通信幀格式傳送給遠程服務(wù)器。如圖9所示，幀格式包含由4個字節(jié)組成的固定長度的報文頭，具體包括：表示用戶數(shù)據(jù)區(qū)的長度 L；一個字節(jié)的控制域C，控制報文的傳輸方向和數(shù)據(jù)類型；一個字節(jié)地址域 A 表示燃氣表終端的地址；用戶數(shù)據(jù)表示用戶傳遞的數(shù)據(jù)；一個字節(jié)的 CRC 校驗；一個字節(jié)的結(jié)束字符。

圖6 IOT Manager 界面Fig.6Interface for IOT Manager

圖7 上位機界面Fig.7Interface for upper machine

圖8 Wifi通信收發(fā)流程圖Fig.8Procedure for Wificommunication

圖9 Wifi無線通信幀格式Fig.9Frame format of the Wificommunication

3.4 Web 服務(wù)器

本文選擇阿里云服務(wù)器，IP 地址115.28.145.220。服務(wù)器接收煤氣數(shù)據(jù)并處理顯示相關(guān)信息，具體包括 TCP 服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

TCP 服務(wù)器：主要從煤氣表接收煤氣使用信息，它總是監(jiān)聽一個特殊的端口。其中，服務(wù)器的 IP 地址和特定端口號必須寫入 Wifi模塊。當(dāng)Wifi模塊上電后，立即連接服務(wù)器；而服務(wù)器接收煤氣數(shù)據(jù)并保存于數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器設(shè)計：使用 MySQL 數(shù)據(jù)庫將煤氣表數(shù)據(jù)進行存儲，包括用戶表和數(shù)據(jù)表兩個數(shù)據(jù)庫表；而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器則從該數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計：主要與用戶進行交互，用于管理者登錄等操作，獲取所有用戶數(shù)據(jù)及各用戶相關(guān)的詳細數(shù)據(jù)?？梢圆榭撮_放的個人基本信息，還可實時監(jiān)測查看用戶燃氣使用情況，查詢歷史使用情況，圖10為用戶實時數(shù)據(jù)展示。

圖10 Web 數(shù)據(jù)實時顯示界面Fig.10Real time display interface for web data

4 測試與結(jié)果分析

4.1 Wifi連接服務(wù)器成功率

為降低功耗，系統(tǒng)對 Wifi模塊采用實時控制方式。只有當(dāng)燃氣表向遠程服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)時，才對 Wifi模塊供電，而當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后立即對 Wifi模塊斷電。因此，每次 Wifi上電啟動后，都要主動連接遠程服務(wù)器。通過 200次對 Wifi模塊進行上電、斷電操作，讓模塊反復(fù)重啟，結(jié)果顯示 Wifi模塊都能連接到遠程服務(wù)器。本研究也對不同時間段的通信進行了測試，發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)路由器保持暢通的情況下，煤氣表Wifi模塊均能有效連接。

4.2 數(shù)據(jù)上傳時間

為準確測量 Wifi模塊啟動時間和上傳一幀數(shù)據(jù)耗費的時間，在 Wifi模塊和服務(wù)器之間建立一種反饋機制。當(dāng) Wifi模塊完成初始化并連接到遠程服務(wù)器之后，遠程服務(wù)器會回傳“Connected”消息給 Wifi模塊；當(dāng)煤氣表收到回傳信息后，才開始向遠程服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)。經(jīng)過 50次的測量發(fā)現(xiàn)，Wifi模塊初始化并連接到遠程服務(wù)器的時間大約是 6.4s。

當(dāng)遠程服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，識別到結(jié)束標志并完成校驗，會反饋一個“Received”消息，設(shè)備收到該反饋消息后會主動對 Wifi模塊斷電。其中，數(shù)據(jù)上傳時間為設(shè)備開始上傳數(shù)據(jù)至收到服務(wù)器反饋消息的時間。通過微控制器的計數(shù)器測得 50次上傳數(shù)據(jù)時間如圖11所示。從圖11可以估算出 Wifi上傳一幀數(shù)據(jù)的時間大約是 0.115s。

圖11 Wifi通信上傳一幀數(shù)據(jù)時間Fig.11The duration for Wifitransmitting one frame data

4.3 通信測試

用戶燃氣信息能否成功傳輸?shù)竭h程服務(wù)器是一個非常重要的指標，也決定了無線遠傳燃氣表設(shè)計是否可行。通過將 Apache 服務(wù)器移植到阿里云服務(wù)器(IP 地址：115.28.145.220)上，并啟用 1、2、3、4、5端口號為燃氣數(shù)據(jù)傳輸端口，對用戶 3表端設(shè)備上傳到該服務(wù)器的燃氣數(shù)據(jù)進行測試，結(jié)果如圖12所示。其中，圖12中最后一次上傳的數(shù)據(jù)為 49.90，表示當(dāng)前用戶 3的表端內(nèi)剩余燃氣值為 49.90m3。

通過 Web 客戶端登錄燃氣管理平臺查看用戶 3的信息。從圖13可以看出，該用戶當(dāng)前剩余燃氣值同樣是 49.90m3，此數(shù)值與用戶 3表端

(圖14)的顯示一致。同時，通過 Web 管理系統(tǒng)還可查看相關(guān)數(shù)據(jù)。如點擊圖13中“user 3”按鈕，可以看到用戶 3的燃氣歷史數(shù)據(jù)。圖15所示為用戶 3最近 10次的煤氣使用數(shù)據(jù)。上述例子說明，通過本文設(shè)計的智能燃氣表能夠成功并準確地傳輸用戶燃氣使用數(shù)據(jù)到遠程服務(wù)器上，并能實現(xiàn)即時的網(wǎng)上查詢。

圖12 燃氣數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器Fig.12Gas data being transmitted to web server

圖13 Web 管理系統(tǒng)燃氣用戶顯示Fig.13User data in the Web management system

圖14 用戶 3表端設(shè)備Fig.14User 3gas meter readings

圖15 用戶 3燃氣歷史信息Fig.15History gas data for user 3

5 結(jié)論與進一步的工作

利用 Wifi無線通信技術(shù)實現(xiàn)燃氣表數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)平臺的傳遞方式具有簡單、快速和經(jīng)濟等優(yōu)點。本文設(shè)計選用 MSP430F4152微控制器作為主控芯片，使用干簧管傳感器采集燃氣用量，實現(xiàn)檢測、計費和顯示等功能。通過 MT7681WiFi模塊實現(xiàn)與遠程服務(wù)器建立連接，將燃氣用量信息直接上傳到遠程服務(wù)器，在 Web 服務(wù)器端實時顯示用戶煤氣使用情況。相關(guān)實驗結(jié)果證明本設(shè)計是可行的。

進一步的工作需要開展大批量煤氣表節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)運行測試，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，避免出現(xiàn)斷網(wǎng)等問題。在模塊功耗方面也需要進一步優(yōu)化，特別是 Wifi模塊和液晶顯示模塊的選擇及運行方式還要不斷地深入改進，從而形成更有社會經(jīng)濟效益的煤氣表產(chǎn)品。

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