智慧城市下天然氣無線集抄系統(tǒng)研究*

汪宋良

（寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息學(xué)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?xì)饧到y(tǒng)），是智慧城市建設(shè)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?xì)饧到y(tǒng)是通過無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧產(chǎn)業(yè)、智慧服務(wù)、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(shí)現(xiàn)住宅的燃?xì)庾詣映?、自動計費(fèi)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(yīng)用范圍開始在全國各大、中城市逐漸擴(kuò)大?！蛾P(guān)于建設(shè)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?xì)饧到y(tǒng)應(yīng)用和研究尤為重要。

1 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)包括燃?xì)獗砟K、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(bǔ)充，在系統(tǒng)出現(xiàn)意外時進(jìn)行安裝調(diào)試、人工手持抄表或維修測試等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1所示。

圖1 無線燃?xì)饧到y(tǒng)

系統(tǒng)工作流程如下：正常情況下，燃?xì)獗矶〞r記錄燃?xì)馐褂昧坎⒈４嬗趦?nèi)存中，同時接收欠壓、緊急關(guān)閥、安全報警和機(jī)械故障等外部中斷；除以上工作外，負(fù)責(zé)定期把表數(shù)據(jù)上發(fā)給集抄器。集抄器抄取所有燃?xì)獗頂?shù)據(jù)，且負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)給GPRS/GSM模塊[2-3]（負(fù)責(zé)整個小區(qū)燃?xì)獗頂?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?xì)獗砘蚣鞑僮?，比如天然氣公司可通過GPRS/GSM無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)命令，再由GPRS/GSM模塊中繼到燃?xì)獗砘蚣鳌Ｊ殖衷O(shè)備只能與燃?xì)獗砘蚣魍ㄐ?，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(jié)算，用戶通過網(wǎng)上或銀行付費(fèi)。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(shè)計

燃?xì)饨K端主要由燃?xì)獗砜刂齐娐方M成，一戶一表，它詳細(xì)記錄用戶使用燃?xì)馇闆r、表狀態(tài)信息；負(fù)責(zé)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(fèi)、防盜、故障等；與此同時，還要負(fù)責(zé)與集抄器數(shù)據(jù)通信。由圖3所示，無線燃?xì)獗砭哂腥細(xì)庥嬃抗δ?、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?xì)獗砉δ芸驁D

圖4 燃?xì)獗碓韴D

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(shè)線路，而且維護(hù)、安裝方便。一般來說，每棟居民樓安裝一個集抄器，負(fù)責(zé)自動抄取本棟樓所有燃?xì)獗頂?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(jī)。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?xì)獗頂?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(jī)指令通過GPRS/GSM模塊下發(fā)到集抄器或燃?xì)獗?。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(diǎn)：（1）天然氣公司通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令到終端；（2）終端數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳到天然氣公司。

圖6 GPRS/GSM功能框圖

3 軟件設(shè)計與協(xié)議

燃?xì)獗斫K端軟件控制整個硬件的運(yùn)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?xì)獗磉\(yùn)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(shí)現(xiàn)的主要功能有3點(diǎn)：控制AT86RF211S射頻模塊無線通信，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗磉\(yùn)行數(shù)據(jù)采集和保存，實(shí)現(xiàn)本機(jī)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(fù)責(zé)燃?xì)獗頂?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(diǎn)實(shí)現(xiàn)，本文提出泛洪技術(shù)實(shí)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(shù)的缺點(diǎn)，本文提出了S-ALOHA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[4-5]，它有效克服了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的盲目性，通過隨機(jī)退避時間，能有效避免泛洪技術(shù)的隱藏和暴露節(jié)點(diǎn)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(luò)通過該標(biāo)志判斷是否轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)（本機(jī)地址和目的地址不相同時）；當(dāng)目的地址為本機(jī)地址時，則進(jìn)入本機(jī)處理程序。如圖9所示，當(dāng)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(jī)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(luò)層完整數(shù)據(jù)通信過程：首先，GPRS/GSM或手持設(shè)備端發(fā)送命令給集抄器，設(shè)置順序控制域，等待確認(rèn)幀。集抄器收到命令后，回復(fù)確認(rèn)信號，修改順序控制域中的D7D6值。然后，集抄器進(jìn)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(shè)備，修改順序控制域D7D6值，等待GPRS/GSM或手持設(shè)備確認(rèn)信號。GPRS/GSM或手持設(shè)備收到數(shù)據(jù)后，回復(fù)確認(rèn)信號，如果在每次通信中失敗，則數(shù)據(jù)需要重發(fā)。

假設(shè)：數(shù)值N，N為最大的隨機(jī)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(guān)。則：任何終端請求發(fā)送時，必須退避隨機(jī)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(jī)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(jī)制

從圖10可知，隨機(jī)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(jī)時間。當(dāng)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(shè)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(jī)數(shù)N也比較重要。

隨機(jī)退避算法：算法中定義了一個隨機(jī)數(shù)取值函數(shù)Random（0，N）、最大隨機(jī)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(jī)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?xì)饧到y(tǒng)的燃?xì)獗斫K端、集抄器及GPRS通信模塊進(jìn)行電路和軟件設(shè)計，提出了主動隨機(jī)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(jìn)：（1）網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)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(luò)延時，有效地優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)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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