一种新型无线燃气集抄器的设计及实现

陈立万，汪宋良

CHEN Li-wan1, WANG Song-liang2

（1.重庆三峡学院应用技术学院，万州 404000；2.宁波城市职业技术学院 信息工程系，宁波 315100）

0 引言

智能小区无线抄表系统可以提高燃气抄表系统的自动化程度，简化抄表流程，随着信息技术和计算机技术的发展，智能小区无线抄表系统的研究必将有新的和更大的突破！无线集抄器不仅负责范围内燃气表通信，而且负责把表数据上传给GPRS/GSM模块，即总集中器。本文主要从硬件电路设计、软件编程、集抄器之间数据传输网络协议三方面进行阐述。整个系统对环境要求低、功耗低、抗干扰能力强、传输距离较远、灵敏度高、性能稳定,达到智能抄表系统的标准[1]，这些良好的性能特点使得它能很好应用于无线抄表行业。

1 无线集抄器功能模块

无线集抄器通过收发模块接收或发送数据，此种方式不需敷设线路，而且维护、安装方便。一般每栋居民楼安装一个集抄器，负责自动抄取本栋楼所有燃气表数据，集抄器通过无线收发模块与外界通信，一方面通过无线方式抄取本楼所有表数据；另一方面通过无线方式把表数据发送给上位机。集抄器抄取表数据都存储于内存中，主控制器通过读/写存储器得到数据。有线接口是备用方式，如果无线收发模块无法通信时，可以使用有线接口现场抄取表数据。功能模块图如1所示。集抄器主要实现功能有：1）负责集抄器范围内燃气表数据收集（比如抄表、关阀、开阀和测试等）；2）负责上传燃气表数据给GPRS/GSM模块；3）实现集抄器之间数据中继功能。

图1 集抄器功能框图

2 软件设计及实现

一个小区中，系统规定每栋楼有一个集抄器，这么多集抄器收集的燃气表数据都必须通过无线形式发送到小区总集中器（即GPRS/GSM模块）。由于小区建筑分布不规则，正方形、长方形、圆形、扇形、不规则形等都有；这给集抄器之间数据通信造成很大困难。如图2所示，数字表示建筑不同栋号，即集抄器，每个小区有一个总集中器，负责与集抄器数据通信，虚线表示集抄器之间任意无线通信。正是由于建筑物不规则分布，如何有效将各个集抄器数据发送到总集中器，如何中继这些数据等问题是集抄器网络协议所要解决的。当集抄器与总集中器不能直接点对点通信，而需要中间节点（其他集抄器）时，路由选择是网络协议算法必需重点解决的，比如15号集抄器无法直接与总集中器通信，必须通过中继节点2或1或5等，发送数据到总集中器。

图2 小区建筑不规则分布

2.1 新型网络协议

从源节点经过中继节点，到达目的节点，这样构成一条通信路径（路由）。本文采用的网络协议为最基本的自组织网络协议——泛洪（Flooding）[2～13]技术，并结合新的网络路由方法实现，其工作原理是：源节点向所有的邻近节点广播分组，中间节点判断是否是目的节点，如果不是且第一次收到该分组，则继续广播；否则，直接丢弃。该网络协议有效地克服了网络发送的盲目性，通过随机退避时间，有效避免泛洪技术的隐藏和暴露节点问题。在帧格式中顺序控制域表示不同信息的序列号，以及同一信息的重发序列号，网络通过该标志，判断是否转发信息。如果收到顺序控制域与前一顺序控制域相同，则不作任何处理；如果不相同则转发（本机地址和目的地址不相同时）；当目的地址为本机地址时，则进入本机处理程序。以此大大提高了网络可靠性和缩短了延时时间。通信过程如图3所示，当12号集抄器发送数据给总集中器时，10和13同时收到，两者通过随机退避信道竞争，先后发送数据到8号，8号集抄器最后发送到总集中器。

图3 通信过程示意图

由于距离和穿墙性制约，集抄器不能直接与GPRS/GSM模块通信，而需要通过中继节点实现，本文提出一种新型网络协议实现集抄器与GPRS/GSM模块之间通信。集抄器网络协议流程图如下4所示。

图4 网络协议流程图

2.2 集抄器算法

任何节点收到数据时，如需要中继转发数据，则首先选取退避随机时间t，然后检测信道忙闲，忙则退避固定时间后再次检测信道，直到数据被转发，如图5所示。

图5 随机退避方法

设备上电后，通过复位电路开始工作。首先初始化，包括单片机MSP430F135和AT86RF211S初始化设置[13]。AT86RF211S初始化包括速率、工作频率、校验位、数据长度、唤醒地址等。初始化完成后，单片机等待中断，AT86RF211S处于休眠状态。如果外界信号或者采集器数据中断使能，唤醒单片机工作，其他时间处于休眠状态。如果外界有信号，通过AT86RF211S唤醒单片机，单片机收到正确数据后，通过信息标志位判断信息是否收到过。如果第一次收到，则继续下面程序，否则丢弃数据，重新回到初始状态；其次，判断信息目的地址，如果目的地址为本机，则进入本机处理程序，否则把数据转发给其他集抄器；进入本机处理程序后，根据命令字，进行相应的程序处理中断，比如集抄、单抄、关阀、开阀和更新表数据等操作。最后，集抄器完成上位机相应命令后，需要发送确认信号给上位机，程序流程图如6所示。集抄器抄表流程图如7所示。

图6 集抄器主程序框图

图7 集抄器抄表流程图

3 硬件电路设计

3.1 集抄器硬件电路

集抄器硬件电路的无线射频收发模块选取AT86RF211S，供电电源经AC-DC变换供电，电路设计中，稳定性、可靠性和成本为主要考虑因素[14～16]，集抄器硬件电路原理图如图8所示。

图8 集抄器硬件电路原理图

3.2 射频模块接口电路

AT86RF211S芯片与MSP430F135之间通过串行三线口连接，实现射频模块与单片机之间通信，同时单片机通过SLE、SCK、SDATA三根时序线实现对AT86RF211S芯片寄存器、状态等控制，如图9所示。

图9 射频模块接口

3.3 存储器电路

集抄器需要抄取一栋楼所有燃气表数据，数据量处理比较大，并且处理中还需要存储，所以电路需要外接存储器。本电路设计中，外接EEPROM存储器AT24C01和RAM存储器6264。EEPROM存储器可以在掉电下保存数据，主要应用于保存燃气表数据，而RAM存储器用于保存临时数据，比如燃气表数据处理、打包以及网络协议帧重新组装等工作。图10所示，单片机与外部存储器连接原理图，AT24C01通过SCL、SDA两根数据线与单片机连接控制，6264通过地址线、数据线和控制线与单片机连接。S-485为备用通信方式,在集抄器正常工作下，不使用有线接口RS-485通信，只有当无线通信方式异常或者安装人员对其测试才使用。

图10 存储器扩展连接图

4 结束语

本章主要讨论了集抄器及接口电路(射频收发电路、存储器)和无线网络协议与算法的实现。其创新点在于以低功耗MSP430单片机为核心，自行设计了无线燃气表集抄器及网络通信协议及其算法，并进行了软件编程。把燃气表和无线网络技术连接起来，实现了全无线燃气集抄系统，通过对燃气表集抄器系统部分进行安装与调试，测得如下实验数据，发射功率为16 dB/m，接收灵敏度为-95dB/m，工作电流为40mA 左右，供电电压为AC-DC(3.0V) ，频段为免费频段433MHz，通信距离（空旷）为500米左右。

从方案论证到调试成功，作者不仅进行了大量实验，还做了大量的理论研究，系统可靠性高。在国家对城市能源供应问题和居民小区现代化予以充分重视的大好形势下，无线抄表有着十分广阔的发展市场，对本产品的研制、开发，必将产生极大的经济效益。

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