智慧城市下天然氣無線集抄系統研究*

汪宋良

（寧波城市職業技術學院 信息學院，浙江 寧波 315100）

智能型無線抄表系統又稱天然氣智能型無線集抄系統（以下簡稱燃氣集抄系統），是智慧城市建設中新一代信息化、數字化、智能化儀器儀表新產品，要大力研究開發與推廣。燃氣集抄系統是通過無線網絡方式將小區用戶天然氣數值自動上傳到天然氣總公司，替代傳統人工抄表方式，節省勞動力，提高效率。它融合互聯網、物聯網、電信網、廣電網、無線寬帶網等網絡技術實現智慧產業、智慧服務、智慧管理、智慧生活等為重要內容的城市發展的新模式。實現住宅的燃氣自動抄表、自動計費及智能化，已成為新型智能小區的必備條件。隨著住宅智能化的發展，抄表系統的應用范圍開始在全國各大、中城市逐漸擴大。《關于建設智慧城市的決定 （甬黨[2010]14號）》和《寧波市智慧城市發展總體規劃》文件指出，力爭到2020年寧波躋身于國際智慧城市的行列，所以無線燃氣集抄系統應用和研究尤為重要。

1 總體設計方案

本系統包括燃氣表模塊、集抄器、GPRS/GSM模塊和帶系統軟件的主站等部分，手持終端是系統的補充，在系統出現意外時進行安裝調試、人工手持抄表或維修測試等，系統結構圖如1所示。

圖1 無線燃氣集抄系統

系統工作流程如下：正常情況下，燃氣表定時記錄燃氣使用量并保存于內存中，同時接收欠壓、緊急關閥、安全報警和機械故障等外部中斷；除以上工作外，負責定期把表數據上發給集抄器。集抄器抄取所有燃氣表數據，且負責上傳數據給GPRS/GSM模塊[2-3]（負責整個小區燃氣表數據量收集），最后由GPRS/GSM模塊通過GPRS無線方式上傳本小區所有表數據給天然氣公司。反之，天然氣公司可對某一個燃氣表或集抄器操作，比如天然氣公司可通過GPRS/GSM無線網絡下發命令，再由GPRS/GSM模塊中繼到燃氣表或集抄器。手持設備只能與燃氣表或集抄器通信，一般只在安裝、調試、維修中使用。銀行可以讀取天然氣公司數據庫信息，對其中信息統計、結算，用戶通過網上或銀行付費。系統通信具體流程如圖2所示。

圖2 系統通信流程圖

2 硬件電路設計

燃氣終端主要由燃氣表控制電路組成，一戶一表，它詳細記錄用戶使用燃氣情況、表狀態信息；負責數據采集、處理、存儲等工作；隨時檢測異常情況，比如欠壓、欠費、防盜、故障等；與此同時，還要負責與集抄器數據通信。由圖3所示，無線燃氣表具有燃氣計量功能、無線收發功能、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 燃氣表功能框圖

圖4 燃氣表原理圖

無線集抄器通過收發模塊接收或發送數據，該方式無需敷設線路，而且維護、安裝方便。一般來說，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，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。

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，小區所有燃氣表數據被發送到天然氣公司數據庫中心存儲、分析、處理；同時，上位機指令通過GPRS/GSM模塊下發到集抄器或燃氣表。如圖6所示，GPRS/GSM模塊位于每個小區中，且只有一個，所有小區表數據通過每棟集抄器傳送到GPRS/GSM模塊，然后由它發送給天然氣公司。通信過程主要有以下兩點：（1）天然氣公司通過GPRS無線網絡下發指令到終端；（2）終端數據通過GPRS無線網絡上傳到天然氣公司。

圖6 GPRS/GSM功能框圖

3 軟件設計與協議

燃氣表終端軟件控制整個硬件的運行，無線通信的傳輸速率、頻道以及雙方地址等參數配置；無線信號的相互握手；燃氣表運行數據及狀態采集、保存和處理等。因此，系統軟件實現的主要功能有3點：控制AT86RF211S射頻模塊無線通信，實現燃氣表運行數據采集和保存，實現本機與集抄器數據通信。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，主要負責燃氣表數據收集。由于距離和穿墻性制約，集抄器不能直接與GPRS/GSM模塊通信，而需要通過中繼節點實現，本文提出泛洪技術實現集抄器與GPRS/GSM模塊之間通信。

圖8 集中器集抄流程圖

針對泛洪技術的缺點，本文提出了S-ALOHA網絡協議[4-5]，它有效克服了網絡發送的盲目性，通過隨機退避時間，能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。如圖9所示，當12號集抄器發送數據給總集中器時，10號和13號集抄器同時收到，兩者通過隨機退避信道競爭，先后發送數據到8號集抄器，最后8號集抄器發送數據到總集中器。

圖9 通信過程示意圖

網絡層完整數據通信過程：首先，GPRS/GSM或手持設備端發送命令給集抄器，設置順序控制域，等待確認幀。集抄器收到命令后，回復確認信號，修改順序控制域中的D7D6值。然后，集抄器進入命令處理程序。如果要上傳數據，則發送數據給GPRS/GSM或手持設備，修改順序控制域D7D6值，等待GPRS/GSM或手持設備確認信號。GPRS/GSM或手持設備收到數據后，回復確認信號，如果在每次通信中失敗，則數據需要重發。

假設：數值N，N為最大的隨機數取值；數據包固定時間長度To，To為集抄器發送所有表數據所需要時間，其與波特率和發送比特數有關。則：任何終端請求發送時，必須退避隨機時間 Time后才能發送，其中Time=To×Random（0，N）；任何終端接收到該數據后，等待一定時間 To×（N－Random （0，N）），在隨機退避時間后請求發送，其中Random（0，N）在 MAC層的時間域中定義，如圖10所示。

圖10 退避機制

從圖10可知，隨機退避算法是指任何終端發送請求時，必須根據算法退避一定的隨機時間。當任何終端接收到信息后，必須等待給定的剩余時間才能執行下一步命令。其中，剩余時間是指任何設備接收到信息時，只有等待一定時間后才開放信道。本信道接入協議除兩種算法外，隨機數N也比較重要。

隨機退避算法：算法中定義了一個隨機數取值函數Random（0，N）、最大隨機數N。MAX和 MIN分別為退避計數器的最大值和最小值。隨機函數在最小值和最大值之間任意取值，取值概率相等。

本文對無線燃氣集抄系統的燃氣表終端、集抄器及GPRS通信模塊進行電路和軟件設計，提出了主動隨機退避算法。但由于時間和現有條件的限制，系統還有很多不足之處有待改進：（1）網絡多節點中繼延時性增加了系統不穩定性，而且每一次中繼都會增加網絡延時，有效地優化無線網絡延時問題，縮短中繼時間需更深入研究；（2）集抄器路由協議有待更深入研究。

[1]曹磊.MSP430單片機C程序設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]陳茉.GPRS無線網絡數據業務優化研究[D].北京：北京郵電大學，2012.

[3]王桂軍.微功率無線集抄系統的設計與應用實現[D].北京：北京郵電大學，2012.

[4]戴立淵.Ad Hoc無線網絡路由協議的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012.

[5]鄭少仁，王海濤，趙志峰.Ad Hoc網絡技術[M].北京：人民郵電出版社，2005.