基于GSM的天然氣自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王藍(lán)儀,徐 磊,汪向華,鄧熙麟,李勃亨,沈思遠(yuǎn),梁自鑫

(1.南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通學(xué)院,江蘇 南京 210037； 2.南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037；3.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引言

目前，水表和電表的自動(dòng)抄表技術(shù)已經(jīng)得到了充分的發(fā)展與普及，而天然氣計(jì)量數(shù)據(jù)的讀取仍主要依靠人工上門抄表來(lái)實(shí)現(xiàn),不僅工作量巨大，需要消耗大量的人力資源，且管理部門無(wú)法及時(shí)獲取用戶的使用情況[1]。本文研究設(shè)計(jì)的天然氣自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由智能燃?xì)獗斫K端、無(wú)線通信模塊和用戶三大部分組成。其中智能燃?xì)獗斫K端通過(guò)自身攜帶的氣體流量傳感器將用戶使用的燃?xì)饬繙y(cè)出，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TC12C5A60S2中，由STC12C5A60S2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲(chǔ)存，通過(guò)GSM通信模塊將數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送給用戶與燃?xì)夤綶2,3]，實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能電表的自動(dòng)抄表，且用戶或者燃?xì)夤疽材軌蛳蛳到y(tǒng)發(fā)送短消息以獲得當(dāng)前天然氣使用情況。該系統(tǒng)不僅能夠有效的降低功耗、誤碼率與成本，且能夠在較大溫度范圍實(shí)現(xiàn)正常的自動(dòng)抄表功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

天然氣自動(dòng)抄表系統(tǒng)首先利用Azbil氣體微小流量傳感器對(duì)管道內(nèi)流過(guò)的天然氣流速進(jìn)行測(cè)量，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸給單片機(jī)，然后STC12C5A60S2經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換接收傳感器的電壓信號(hào)，通過(guò)數(shù)值積分的方法算出用戶已經(jīng)使用的天然氣體積與消費(fèi)總額。GSM模塊將用戶的使用情況發(fā)送給用戶和天然氣公司[4]?？紤]到用戶使用過(guò)程中的安全性與舒適性，還設(shè)計(jì)了按鍵、液晶以及報(bào)警模塊， 總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 氣體流量檢測(cè)電路

本文選取的氣體流量傳感器是Azbil氣體微小流量傳感器，該傳感器可以將通過(guò)傳感器內(nèi)部的氣體流速大小轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，并可以通過(guò)其數(shù)據(jù)管腳將信號(hào)發(fā)送出來(lái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，獲取容易，非常適合在天然氣自動(dòng)抄表系統(tǒng)中使用。

圖2 氣體流量檢測(cè)電路

2.2 GSM通信模塊設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2通過(guò)AD轉(zhuǎn)換接收傳感器傳來(lái)的信號(hào)，并通過(guò)算法轉(zhuǎn)化成流量，再通過(guò)數(shù)值積分算出用戶已經(jīng)使用的天然氣體積，并算出價(jià)格，再通過(guò)無(wú)線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶和天然氣公司。本設(shè)計(jì)用作無(wú)線通信的GSM模塊，其電路原理圖如圖3所示。

2.3 MAX232電平轉(zhuǎn)化電路

圖3 GSM模塊電路原理圖

由于SIM300與單片機(jī)的電平信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)不同，本設(shè)計(jì)采用符合當(dāng)前所有RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的MAX232芯片對(duì)兩種電平相互轉(zhuǎn)化。MAX232芯片內(nèi)部集成兩個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器與兩個(gè)RS-232C接收器，可以將單片機(jī)輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成PC機(jī)能接收的232電平或?qū)C機(jī)輸出的232電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的TTL電平，其原理圖如圖4所示。

圖4 MAX232電平轉(zhuǎn)化電路

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊是電路系統(tǒng)中最重要的模塊之一，其不僅影響著電子元器件本身的工作性能，還影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，散熱性以及消耗功率等重要性能[5]。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要使用的電源模塊有兩種，一種是給GSM模塊供電的+9V轉(zhuǎn)+4.2V電源模塊;另一種是給單片機(jī)及其它模塊供電的+9V轉(zhuǎn)+5V電源模塊。其中+9V轉(zhuǎn)+5V通過(guò)使用LM7805芯片實(shí)現(xiàn)。由于GSM模塊的額定電壓是+4.2V，+4.2V對(duì)于GSM模塊來(lái)說(shuō)更加安全與經(jīng)濟(jì)，并且對(duì)GSM通信模塊損傷小。該模塊使用的是MIC29302BU芯片來(lái)完成+9V轉(zhuǎn)+4.2V。

2.5 按鍵模塊設(shè)計(jì)

本文采用僅使用少量I/O口即能夠控制較多的4*4矩陣鍵盤，行線I/O口工作在輸出方式，列線I/O口工作在輸入方式。首先將所有行的I/O口輸出低電平，然后讀取列的I/O口是否出現(xiàn)低電平，若出現(xiàn)低電平則表示有按鍵按下，在確認(rèn)有按鍵按下時(shí)，依次將行的I/O口輸出低電平，并同時(shí)檢測(cè)列的I/O口輸入，即可確定按鍵的位置，然后執(zhí)行相應(yīng)的程序，原理圖如圖5所示，按鍵功能表如表1所示。

圖5 矩陣鍵盤電路原理圖

2.6 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

為了保障用戶在天然氣使用過(guò)程中的安全[7]。本設(shè)計(jì)采用濃度傳感器測(cè)量用戶周圍環(huán)境的天然氣濃度，并在天然氣濃度異常時(shí)向用戶報(bào)警,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)化的結(jié)果大于設(shè)定的上限值時(shí)，控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

首先單片機(jī)通過(guò)I/O口獲取氣體流量傳感器測(cè)得的管道內(nèi)氣體流速，再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換將流速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)，然后將流速轉(zhuǎn)化為流量，通過(guò)數(shù)值積分的方法獲得當(dāng)前使用的天然氣量，并在液晶屏上顯示。當(dāng)用戶結(jié)束天然氣使用后，通過(guò)GSM模塊告知燃?xì)夤?，且燃?xì)夤就ㄟ^(guò)GSM模塊告知用戶燃?xì)赓M(fèi)扣除情況。當(dāng)矩陣模塊檢測(cè)到用戶是使用鍵盤時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的子程序，為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)并通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)余額查詢及用戶充值[8]。

圖6 系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到實(shí)際流量難以準(zhǔn)確獲得，本文使用matlab對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真。其中以T=100 ms的周期對(duì)流速取樣?？傻玫趎次取樣的流量q(n)為：

q(n)=v(n)A

.

(1)

其中v(n)為第n次取樣的流速，A為管道截面積。

可得當(dāng)?shù)趎次取樣時(shí)，測(cè)得使用的天然氣體積為：

.

(2)

由于Azbil氣體微小流量傳感器存在的測(cè)量誤差，考慮引入誤差系數(shù)δ，其中δ服從正態(tài)分布，且δ∈[0.95,1.05]。由式(3)可得，實(shí)際測(cè)得使用的天然氣體積為：

(3)

假設(shè)用戶使用天然氣15 min，其中流速按照給定函數(shù)f(t)變化。

表1 天然氣測(cè)量效果

由表可得，測(cè)量值與實(shí)際值基本重合，在第20 min時(shí)有最大測(cè)量誤差為0.0197L，在第1 min有最大相對(duì)誤差為0.45%，效果比較理想，完全達(dá)到了測(cè)量精度的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的天然氣自動(dòng)抄表系統(tǒng)，通過(guò)氣體流量傳感器接收的天然氣流速信號(hào)計(jì)算出用戶的天然氣使用量，并將用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GSM通信模塊發(fā)送給用戶與燃?xì)夤?，同時(shí)可以通過(guò)矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)在線充值，余額查詢等功能；當(dāng)天然氣發(fā)生泄露時(shí)，報(bào)警模塊能夠及時(shí)的向用戶發(fā)出警告。研制的樣機(jī)工作可靠，可以達(dá)到所需的計(jì)量精度，工作所需功率小，安全性能高，能夠準(zhǔn)確地向用戶和燃?xì)夤緜魉蛿?shù)據(jù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。