智慧城市下天然气无线集抄系统研究*

汪宋良

（宁波城市职业技术学院 信息学院，浙江 宁波 315100）

智能型无线抄表系统又称天然气智能型无线集抄系统（以下简称燃气集抄系统），是智慧城市建设中新一代信息化、数字化、智能化仪器仪表新产品，要大力研究开发与推广。燃气集抄系统是通过无线网络方式将小区用户天然气数值自动上传到天然气总公司，替代传统人工抄表方式，节省劳动力，提高效率。它融合互联网、物联网、电信网、广电网、无线宽带网等网络技术实现智慧产业、智慧服务、智慧管理、智慧生活等为重要内容的城市发展的新模式。实现住宅的燃气自动抄表、自动计费及智能化，已成为新型智能小区的必备条件。随着住宅智能化的发展，抄表系统的应用范围开始在全国各大、中城市逐渐扩大。《关于建设智慧城市的决定 （甬党[2010]14号）》和《宁波市智慧城市发展总体规划》文件指出，力争到2020年宁波跻身于国际智慧城市的行列，所以无线燃气集抄系统应用和研究尤为重要。

1 总体设计方案

本系统包括燃气表模块、集抄器、GPRS/GSM模块和带系统软件的主站等部分，手持终端是系统的补充，在系统出现意外时进行安装调试、人工手持抄表或维修测试等，系统结构图如1所示。

图1 无线燃气集抄系统

系统工作流程如下：正常情况下，燃气表定时记录燃气使用量并保存于内存中，同时接收欠压、紧急关阀、安全报警和机械故障等外部中断；除以上工作外，负责定期把表数据上发给集抄器。集抄器抄取所有燃气表数据，且负责上传数据给GPRS/GSM模块[2-3]（负责整个小区燃气表数据量收集），最后由GPRS/GSM模块通过GPRS无线方式上传本小区所有表数据给天然气公司。反之，天然气公司可对某一个燃气表或集抄器操作，比如天然气公司可通过GPRS/GSM无线网络下发命令，再由GPRS/GSM模块中继到燃气表或集抄器。手持设备只能与燃气表或集抄器通信，一般只在安装、调试、维修中使用。银行可以读取天然气公司数据库信息，对其中信息统计、结算，用户通过网上或银行付费。系统通信具体流程如图2所示。

图2 系统通信流程图

2 硬件电路设计

燃气终端主要由燃气表控制电路组成，一户一表，它详细记录用户使用燃气情况、表状态信息；负责数据采集、处理、存储等工作；随时检测异常情况，比如欠压、欠费、防盗、故障等；与此同时，还要负责与集抄器数据通信。由图3所示，无线燃气表具有燃气计量功能、无线收发功能、主控制器、阀门控制、LCD显示、报警功能、欠压检测和存储功能等。硬件原理图如图4所示。

图3 燃气表功能框图

图4 燃气表原理图

无线集抄器通过收发模块接收或发送数据，该方式无需敷设线路，而且维护、安装方便。一般来说，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，功能模块图如5所示。

图5 集抄器功能框图

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。

GPRS/GSM模块是连接集抄器与天然气公司的枢纽，通过GPRS/GSM模块，小区所有燃气表数据被发送到天然气公司数据库中心存储、分析、处理；同时，上位机指令通过GPRS/GSM模块下发到集抄器或燃气表。如图6所示，GPRS/GSM模块位于每个小区中，且只有一个，所有小区表数据通过每栋集抄器传送到GPRS/GSM模块，然后由它发送给天然气公司。通信过程主要有以下两点：（1）天然气公司通过GPRS无线网络下发指令到终端；（2）终端数据通过GPRS无线网络上传到天然气公司。

图6 GPRS/GSM功能框图

3 软件设计与协议

燃气表终端软件控制整个硬件的运行，无线通信的传输速率、频道以及双方地址等参数配置；无线信号的相互握手；燃气表运行数据及状态采集、保存和处理等。因此，系统软件实现的主要功能有3点：控制AT86RF211S射频模块无线通信，实现燃气表运行数据采集和保存，实现本机与集抄器数据通信。程序主框图如图7所示。

图7 主程序流程图

集抄器程序流程如图8所示，主要负责燃气表数据收集。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，本文提出泛洪技术实现集抄器与GPRS/GSM模块之间通信。

图8 集中器集抄流程图

针对泛洪技术的缺点，本文提出了S-ALOHA网络协议[4-5]，它有效克服了网络发送的盲目性，通过随机退避时间，能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。如图9所示，当12号集抄器发送数据给总集中器时，10号和13号集抄器同时收到，两者通过随机退避信道竞争，先后发送数据到8号集抄器，最后8号集抄器发送数据到总集中器。

图9 通信过程示意图

网络层完整数据通信过程：首先，GPRS/GSM或手持设备端发送命令给集抄器，设置顺序控制域，等待确认帧。集抄器收到命令后，回复确认信号，修改顺序控制域中的D7D6值。然后，集抄器进入命令处理程序。如果要上传数据，则发送数据给GPRS/GSM或手持设备，修改顺序控制域D7D6值，等待GPRS/GSM或手持设备确认信号。GPRS/GSM或手持设备收到数据后，回复确认信号，如果在每次通信中失败，则数据需要重发。

假设：数值N，N为最大的随机数取值；数据包固定时间长度To，To为集抄器发送所有表数据所需要时间，其与波特率和发送比特数有关。则：任何终端请求发送时，必须退避随机时间 Time后才能发送，其中Time=To×Random（0，N）；任何终端接收到该数据后，等待一定时间 To×（N－Random （0，N）），在随机退避时间后请求发送，其中Random（0，N）在 MAC层的时间域中定义，如图10所示。

图10 退避机制

从图10可知，随机退避算法是指任何终端发送请求时，必须根据算法退避一定的随机时间。当任何终端接收到信息后，必须等待给定的剩余时间才能执行下一步命令。其中，剩余时间是指任何设备接收到信息时，只有等待一定时间后才开放信道。本信道接入协议除两种算法外，随机数N也比较重要。

随机退避算法：算法中定义了一个随机数取值函数Random（0，N）、最大随机数N。MAX和 MIN分别为退避计数器的最大值和最小值。随机函数在最小值和最大值之间任意取值，取值概率相等。

本文对无线燃气集抄系统的燃气表终端、集抄器及GPRS通信模块进行电路和软件设计，提出了主动随机退避算法。但由于时间和现有条件的限制，系统还有很多不足之处有待改进：（1）网络多节点中继延时性增加了系统不稳定性，而且每一次中继都会增加网络延时，有效地优化无线网络延时问题，缩短中继时间需更深入研究；（2）集抄器路由协议有待更深入研究。

[1]曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]陈茉.GPRS无线网络数据业务优化研究[D].北京：北京邮电大学，2012.

[3]王桂军.微功率无线集抄系统的设计与应用实现[D].北京：北京邮电大学，2012.

[4]戴立渊.Ad Hoc无线网络路由协议的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012.

[5]郑少仁，王海涛，赵志峰.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005.