一種新型無線燃氣集抄器的設計及實現

陳立萬，汪宋良

CHEN Li-wan1, WANG Song-liang2

（1.重慶三峽學院應用技術學院，萬州 404000；2.寧波城市職業技術學院 信息工程系，寧波 315100）

0 引言

智能小區無線抄表系統可以提高燃氣抄表系統的自動化程度，簡化抄表流程，隨著信息技術和計算機技術的發展，智能小區無線抄表系統的研究必將有新的和更大的突破！無線集抄器不僅負責范圍內燃氣表通信，而且負責把表數據上傳給GPRS/GSM模塊，即總集中器。本文主要從硬件電路設計、軟件編程、集抄器之間數據傳輸網絡協議三方面進行闡述。整個系統對環境要求低、功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離較遠、靈敏度高、性能穩定,達到智能抄表系統的標準[1]，這些良好的性能特點使得它能很好應用于無線抄表行業。

1 無線集抄器功能模塊

無線集抄器通過收發模塊接收或發送數據，此種方式不需敷設線路，而且維護、安裝方便。一般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據，集抄器通過無線收發模塊與外界通信，一方面通過無線方式抄取本樓所有表數據；另一方面通過無線方式把表數據發送給上位機。集抄器抄取表數據都存儲于內存中，主控制器通過讀/寫存儲器得到數據。有線接口是備用方式，如果無線收發模塊無法通信時，可以使用有線接口現場抄取表數據。功能模塊圖如1所示。集抄器主要實現功能有：1）負責集抄器范圍內燃氣表數據收集（比如抄表、關閥、開閥和測試等）；2）負責上傳燃氣表數據給GPRS/GSM模塊；3）實現集抄器之間數據中繼功能。

圖1 集抄器功能框圖

2 軟件設計及實現

一個小區中，系統規定每棟樓有一個集抄器，這么多集抄器收集的燃氣表數據都必須通過無線形式發送到小區總集中器（即GPRS/GSM模塊）。由于小區建筑分布不規則，正方形、長方形、圓形、扇形、不規則形等都有；這給集抄器之間數據通信造成很大困難。如圖2所示，數字表示建筑不同棟號，即集抄器，每個小區有一個總集中器，負責與集抄器數據通信，虛線表示集抄器之間任意無線通信。正是由于建筑物不規則分布，如何有效將各個集抄器數據發送到總集中器，如何中繼這些數據等問題是集抄器網絡協議所要解決的。當集抄器與總集中器不能直接點對點通信，而需要中間節點（其他集抄器）時，路由選擇是網絡協議算法必需重點解決的，比如15號集抄器無法直接與總集中器通信，必須通過中繼節點2或1或5等，發送數據到總集中器。

圖2 小區建筑不規則分布

2.1 新型網絡協議

從源節點經過中繼節點，到達目的節點，這樣構成一條通信路徑（路由）。本文采用的網絡協議為最基本的自組織網絡協議——泛洪（Flooding）[2～13]技術，并結合新的網絡路由方法實現，其工作原理是：源節點向所有的鄰近節點廣播分組，中間節點判斷是否是目的節點，如果不是且第一次收到該分組，則繼續廣播；否則，直接丟棄。該網絡協議有效地克服了網絡發送的盲目性，通過隨機退避時間，有效避免泛洪技術的隱藏和暴露節點問題。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序列號，網絡通過該標志，判斷是否轉發信息。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（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。以此大大提高了網絡可靠性和縮短了延時時間。通信過程如圖3所示，當12號集抄器發送數據給總集中器時，10和13同時收到，兩者通過隨機退避信道競爭，先后發送數據到8號，8號集抄器最后發送到總集中器。

圖3 通信過程示意圖

由于距離和穿墻性制約，集抄器不能直接與GPRS/GSM模塊通信，而需要通過中繼節點實現，本文提出一種新型網絡協議實現集抄器與GPRS/GSM模塊之間通信。集抄器網絡協議流程圖如下4所示。

圖4 網絡協議流程圖

2.2 集抄器算法

任何節點收到數據時，如需要中繼轉發數據，則首先選取退避隨機時間t，然后檢測信道忙閑，忙則退避固定時間后再次檢測信道，直到數據被轉發，如圖5所示。

圖5 隨機退避方法

設備上電后，通過復位電路開始工作。首先初始化，包括單片機MSP430F135和AT86RF211S初始化設置[13]。AT86RF211S初始化包括速率、工作頻率、校驗位、數據長度、喚醒地址等。初始化完成后，單片機等待中斷，AT86RF211S處于休眠狀態。如果外界信號或者采集器數據中斷使能，喚醒單片機工作，其他時間處于休眠狀態。如果外界有信號，通過AT86RF211S喚醒單片機，單片機收到正確數據后，通過信息標志位判斷信息是否收到過。如果第一次收到，則繼續下面程序，否則丟棄數據，重新回到初始狀態；其次，判斷信息目的地址，如果目的地址為本機，則進入本機處理程序，否則把數據轉發給其他集抄器；進入本機處理程序后，根據命令字，進行相應的程序處理中斷，比如集抄、單抄、關閥、開閥和更新表數據等操作。最后，集抄器完成上位機相應命令后，需要發送確認信號給上位機，程序流程圖如6所示。集抄器抄表流程圖如7所示。

圖6 集抄器主程序框圖

圖7 集抄器抄表流程圖

3 硬件電路設計

3.1 集抄器硬件電路

集抄器硬件電路的無線射頻收發模塊選取AT86RF211S，供電電源經AC-DC變換供電，電路設計中，穩定性、可靠性和成本為主要考慮因素[14～16]，集抄器硬件電路原理圖如圖8所示。

圖8 集抄器硬件電路原理圖

3.2 射頻模塊接口電路

AT86RF211S芯片與MSP430F135之間通過串行三線口連接，實現射頻模塊與單片機之間通信，同時單片機通過SLE、SCK、SDATA三根時序線實現對AT86RF211S芯片寄存器、狀態等控制，如圖9所示。

圖9 射頻模塊接口

3.3 存儲器電路

集抄器需要抄取一棟樓所有燃氣表數據，數據量處理比較大，并且處理中還需要存儲，所以電路需要外接存儲器。本電路設計中，外接EEPROM存儲器AT24C01和RAM存儲器6264。EEPROM存儲器可以在掉電下保存數據，主要應用于保存燃氣表數據，而RAM存儲器用于保存臨時數據，比如燃氣表數據處理、打包以及網絡協議幀重新組裝等工作。圖10所示，單片機與外部存儲器連接原理圖，AT24C01通過SCL、SDA兩根數據線與單片機連接控制，6264通過地址線、數據線和控制線與單片機連接。S-485為備用通信方式,在集抄器正常工作下，不使用有線接口RS-485通信，只有當無線通信方式異?；蛘甙惭b人員對其測試才使用。

圖10 存儲器擴展連接圖

4 結束語

本章主要討論了集抄器及接口電路(射頻收發電路、存儲器)和無線網絡協議與算法的實現。其創新點在于以低功耗MSP430單片機為核心，自行設計了無線燃氣表集抄器及網絡通信協議及其算法，并進行了軟件編程。把燃氣表和無線網絡技術連接起來，實現了全無線燃氣集抄系統，通過對燃氣表集抄器系統部分進行安裝與調試，測得如下實驗數據，發射功率為16 dB/m，接收靈敏度為-95dB/m，工作電流為40mA 左右，供電電壓為AC-DC(3.0V) ，頻段為免費頻段433MHz，通信距離（空曠）為500米左右。

從方案論證到調試成功，作者不僅進行了大量實驗，還做了大量的理論研究，系統可靠性高。在國家對城市能源供應問題和居民小區現代化予以充分重視的大好形勢下，無線抄表有著十分廣闊的發展市場，對本產品的研制、開發，必將產生極大的經濟效益。

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