基于WSN的燃氣表自動(dòng)抄表系統設計

摘要：針對現有的抄表系統的現狀與不足，結合燃氣表直讀技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和GPRS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設計了一套低功耗燃氣自動(dòng)抄表系統。提出系統的整體方案，并對系統的硬件設計、軟件設計加以詳細說(shuō)明。該系統由三級網(wǎng)絡(luò )構成，一級網(wǎng)絡(luò )和二級網(wǎng)絡(luò )采用不同的頻率，降低了數據傳輸時(shí)的干擾，提高了燃氣表智能終端的使用壽命。系統具有結構簡(jiǎn)單、布置靈活、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)抄表；WSN；GPRS；低功耗；SI4432

0 引言
隨著(zhù)城市化進(jìn)程的發(fā)展，燃氣表使用量迅速增加，抄表計量也日趨復雜；同時(shí)，居民住宅檔次不斷提高，人們對生活的環(huán)境和物業(yè)水平的要求也越來(lái)越高。傳統的入戶(hù)抄表方式不但浪費人力物力，且存在安全隱患，已經(jīng)不適應現代物業(yè)管理的需求。
目前抄表技術(shù)主要有人力手持抄表、紅外、RS 485、電力載波、ZigBee、GPRS等方式。人力手持抄表工作量大且效率低，準確性和實(shí)時(shí)性差。RS 485方式覆蓋面較廣，但須人工布線(xiàn)，前期工作量大，后期不易維護。電力載波抄表方式對電網(wǎng)要求較高，容易受干擾。ZigBee抄表方式組網(wǎng)靈活，覆蓋面廣，但信號穿墻能力較弱。GPRS抄表方式則需要安裝大量的GPRS模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )通信，運營(yíng)成本較高。結合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和GPRS網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，以及燃氣抄表對功耗的嚴格要求，本文設計了一種低復雜度、低功耗、低成本的抄表系統。

1 關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介
1．1 WSN技術(shù)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)的研究起源于20世紀90年代，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信等多種先進(jìn)技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )一般由分布在監測區域內的大量傳感器節點(diǎn)組成。這些節點(diǎn)具有采集傳感器數據、數據處理，無(wú)線(xiàn)數據發(fā)送功能。節點(diǎn)之間可以相互通信，組成一個(gè)多層次的自組織網(wǎng)絡(luò )。采集的傳感器數據通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到匯聚節點(diǎn)，再由匯聚節點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛星發(fā)送到監控中心。
1．2 GPRS技術(shù)
GPRS是通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是GSM移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)可用的一種移動(dòng)數據業(yè)務(wù)。GPRS可說(shuō)是GSM的延續。
GPRS經(jīng)常被描述成“2．5G”，也就是說(shuō)這項技術(shù)位于第二代(2G)和第三代(3G)移動(dòng)通信技術(shù)之間。它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò )中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。
1．3 燃氣表直讀技術(shù)
燃氣表直讀技術(shù)是近幾年新興的一種技術(shù)，基本原理是通過(guò)在基表內安裝光電直讀裝置，利用紅外線(xiàn)對帶有透光槽的字輪進(jìn)行非接觸式的掃描，從而得到與字輪讀數相應的狀態(tài)編碼，通過(guò)對編碼進(jìn)行譯碼后得到與基表字輪窗口相同的值，其關(guān)鍵技術(shù)是絕對式編碼。光電直讀裝置主要有以下特點(diǎn)：光電直讀裝置平時(shí)不需供電，只在抄表瞬間供電；準確度高，不受電場(chǎng)磁場(chǎng)干擾；海明距離為1的編碼，有利于識別；光電直讀裝置直接可讀取基表的窗口值，無(wú)需記憶累加，前一次抄表值對下一次無(wú)任何影響。

2 無(wú)線(xiàn)抄表系統整體結構
系統的整體結構如圖1所示，主要包括燃氣表智能終端、采集器、集中器、手持抄表器和監控中心。在小區內的每棟樓安置一個(gè)或多個(gè)采集器，每個(gè)采集器下轄32個(gè)燃氣表智能終端，集中器安裝在小區管理中心，監控中心放在燃氣公司。整個(gè)系統包含三級網(wǎng)絡(luò )，一級網(wǎng)絡(luò )：每個(gè)采集器與下轄的32個(gè)智能燃氣表終端組成星狀網(wǎng)絡(luò )；二級網(wǎng)絡(luò )：采集器與集中器之間組成自組織網(wǎng)絡(luò )；三級網(wǎng)絡(luò )：集中器與監控中心通信采用的GPRS網(wǎng)絡(luò )。

3 系統硬件設計
系統硬件主要包括：燃氣表智能終端，采集器和集中器。
3．1 燃氣表智能終端硬件設計
燃氣表智能終端電路主要包括電源管理模塊、MCU、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、數據采集模塊。燃氣表根據實(shí)際的需求，采用電池供電，因此，其設計對功耗有著(zhù)嚴格的要求。
(1)電源管理模塊。電源管理芯片采用日本精工公司出產(chǎn)的S-T111B33。
(2)MCU模塊。處理器芯片采用TI公司的低功耗，性能杰出的MSP430F2232單片機。
(3)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊。射頻模塊主要用于智能終端與采集器，采集器與集中器之間的通信。射頻模塊與MCU之間以SPI相連。射頻芯片采用Noridic公司生產(chǎn)的SI4432該芯片可工作在240～930 MHz之間，具有較強的抗干擾和穿墻能力，通信距離較遠，可達到1500 m；功耗較低，接收電流僅為18．5 mA，發(fā)射電流為30 mA(+13 dBm)，85 mA(+20 dBm)；可以進(jìn)行自動(dòng)頻率校正(AFC)；發(fā)送和接收帶64個(gè)字節的FIFOs；可配置數據包格式，實(shí)現前導碼檢測。
(4)數據采集模塊。數據采集模塊主要由5個(gè)紅外發(fā)射管和5個(gè)紅外接收管組成，發(fā)射管工作電流為10 mA，接收管的反應時(shí)間為30 ms。發(fā)射管和接收管均勻分布在360°的圓周上，字輪上開(kāi)有透光槽。當燃氣表智能終端接收到抄表指令后，循環(huán)點(diǎn)亮5個(gè)發(fā)射管，同時(shí)檢測接收管的狀態(tài)。根據是否接收到光，來(lái)給相應的位置1或置0。采用了絕對式編碼來(lái)記錄字輪轉動(dòng)時(shí)位置，這種編碼的海明距離為1。相鄰的碼字只由一個(gè)數字位相互區分開(kāi)，也就是，在相鄰的信息組中，二進(jìn)信息問(wèn)的最小差別或距離只是一比特的變化，有利于減少識別讀數的誤碼率。同時(shí)，采用了一種超前進(jìn)位的編碼發(fā)式，解決了9到0進(jìn)位時(shí)存在誤差的問(wèn)題。
3．2 采集器的硬件設計
采集器需要進(jìn)行繁重的數據通信，所以采用市電供電，且有備用的3．6 V的鋰電池。采集器主要由電源模塊、MCU模塊、射頻模塊、存儲模塊和時(shí)鐘芯片組成。電源模塊采用驅動(dòng)能力較強的LM1117；微處理器采用低功耗、性能杰出的MSP430F149芯片；射頻芯片為Noridic公司的SI4432；存儲模塊采用AT24C256；時(shí)鐘芯片選擇Dallas公司生產(chǎn)的DS12887，此芯片自帶晶振及電池，在沒(méi)有外部電源的情況下可工作10年，具有三種可編程中斷，月誤差在1 min之內。