一种无线自组网天然气抄表系统

李文军 高建阳 刘 洁 郑永军

(中国计量学院热工研究所，浙江 杭州 310018)

一种无线自组网天然气抄表系统

李文军 高建阳 刘 洁 郑永军

(中国计量学院热工研究所，浙江 杭州 310018)

对天然气民用计量领域中的无线抄表方式进行了研究。为解决人工抄表耗费人工资源、用户数据安全、入户抄表难等问题，引入了一种分群算法建立无线自组网抄表系统，系统由燃气管理中心、手操器和支持无线自组网的燃气表三部分组成。提出了一套完整的抄表设计方案，实现了燃气数据的无线传输。系统具有功耗低、抄表效率高等特点。

分群算法 无线数据传输 手操器 无线燃气表 自组网

0 引言

天然气作为一种新兴的燃气能源，因其无污染、燃烧值高而得到广泛应用，并带动了燃气业计量技术的发展。在民用领域，抄表方式多采取人工入户抄表，但是这种比较传统的抄表方式难以满足社会的实际需求。因此，须研发具有无线自动抄表功能的燃气表以及建立无线抄表系统[1]。

1 系统结构

无线自组网抄表系统分为三层。第一层是无线网络，由集成了CC1101无线收发器的燃气表构成；第二层是手操器，手操器上集成有CC1101无线收发器；第三层是燃气管理中心。系统第一层所选用的工作频段为433 MHz，对墙体穿透能力较强，适用于居民楼宇中的组网。通信协议采用的自组网络协议结合了TI公司的点对点网络协议与分群网络结构，省去了路由节点，降低了单个节点的负荷。系统第二层的手操器以ARM为核心，集成有无线射频通信模块，负责采集节点数据，并对燃气表参数、网络参数进行设置。系统第三层为燃气管理中心，是系统的信息库，包含整个用户系统的数据信息[2]。

2 燃气表结构设计

2.1 总体结构

无线燃气表是抄表系统的终端部分，存储着用户使用燃气的所有信息[3]。燃气表的总体设计框图如图1所示。

图1 燃气表结构框图Fig.1 Block diagram of the structure of gas meter

燃气表的电路部分包含一个具有低功耗功能的单片机，外部电路包括电源电路、计数电路、低电压检测电路、阀门控制电路、液晶显示电路、IC卡预付费电路、基于CC1101的无线收发电路。在燃气表电路中，电源使用4节1.5 V锂电池供电，并具有两重低电压检测电路。当电池电压低于5 V时，液晶屏会出现更换电池字样，蜂鸣器开启报警，采用双重功能提醒用户更换电池。若用户没有更换电池，电池电压低于4.8 V后，燃气表会自动关闭阀门，停止供气。

作为网络节点的无线燃气表采用的主控芯片是MSP430F417单片机，单片机和它的外围电路可以实现液晶显示功能、计量统计功能、数据存储功能等。

2.2 主电路设计

无线燃气表主控芯片选择的MSP430F417是一种具有低功耗功能的单片机，对于电池供电的小型仪表非常适用。MSP430F417单片机及外围电路图如图2所示。

图2 MSP430F417最小系统电路图Fig.2 Circuit of the minimum MSP430F417 system

2.3 无线模块电路设计

无线模块采用芯片CC1101，其外围电路图如图3所示。

图3 无线射频模块原理图Fig.3 Schematic diagram of the wireless RF module

由于无线部分易受外界干扰，因此做成了一个独立板，留有排针插口，可以直接插在主板上。这种设计可以用于不带无线收发功能的IC卡燃气表，也可以应用于带有无线功能的无线燃气表。

2.4 电源电路设计

电源电路如图4所示。电源模块采用4节1.5 V锂电池供电，包含两块低电压检测芯片，分别为图4中的U1和U3。当电池电压低于5 V时，与U1相连接的单片机管脚PowerLow_1会发生一个电平的跳变。单片机收到跳变信号后会通知蜂鸣器发出低电压报警命令，并使液晶显示“电池电量低”字样，提醒用户更换电池。当电池电压低于4.8 V时，与U3相连接的单片机管脚PowerLow_2也会发生一个电平的跳变。此时单片机会控制关闭阀门，停止对用户供气，同时液晶显示“更换电池”字样。

图4 电源电路Fig.4 Circuit of the power supply

芯片U5为一个稳压芯片，输出电压为3.3 V，为整个板子供电。另外，电源电路还加装了一个法拉电容，充当临时电源。上电时，该法拉电容充电；当电池电压低于某个值时，该电容充当临时电源。

3 手操器设计

手操器连接燃气表和管理中心，负责将燃气表的信息传递给管理中心，以及按照管理中心的要求更改燃气表的参数。

手操器具有体积小、携带方便、操作简单、手感舒适、数据自动录入、无需入户抄表等特点，适合现阶段燃气行业抄表自动化的需求。手操器还具有抄表和气表检测的功能。为了满足自组网抄表系统的要求，手操器设置了气表群抄的功能，按下按钮就可以对燃气表集中进行抄写，抄表完成以后显示已抄表数目、未抄表数目，以及未抄表的用户信息。抄表过程中会显示用户名、气表编号、总用气量以及气表地址等一系列信息。通过手操器可以更改燃气表内用气价格，当手操器与燃气表成功通信以后，会立即更改表内气价。

手操器对于燃气表的操作均建立在CC1101通信模块之上，CC1101连接燃气表和手操器。手操器完成抄表后会将数据传递给管理中心，手操器和管理中心之间通过RS-232或者USB模块进行连接,如图5所示。

图5 手操器与管理中心连接图Fig.5 Connections between the handheld terminal and management center

4 系统网络

为了实现楼宇之间燃气表的相互通信，采用了433 MHz频段进行无线通信。通信协议采用的是以分群算法为基础的自组网络协议。系统采用的是类网状网拓扑结构[6-7]。

4.1 单个分群网络

图6是燃气表抄表系统中一个小的分群网络，其中“1.1”代表群首节点，“1”代表群内子节点。每个群内子节点“1”都会和包含群首节点在内的3个节点之间存在直接联系，而群首节点会和每个子节点有通信关系。一般情况下，分群内的各个子节点之间不会有直接的通信，都是群首节点直接给各个子节点发布命令，并且直接接收来自各个子节点的信息。当群首节点发生故障时，各个子节点会建立通信，并将信息传递给手操器。

图6 分群网络图Fig.6 The clustering network

4.2 抄表系统网络

图7是整个燃气表抄表系统网络结构的示意图。其中a、b、c代表的是3个子分群网络；“1.1”、“2.1”、“3.1”代表的是3个不同分群中的群首节点。各个群首节点负责向群内子节点发布命令，以及收集群内子节点的信息。

图7 燃气表抄表系统网络结构示意图Fig.7 Network structure of the gas meter reading system

由图7可以看出，群首节点可以直接和手操器进行通信，同时各个群首节点之间也存在着通信。当手操器处于RF模块可直接通信范围内时，群首节点直接和手操器进行通信；当手操器处于部分节点燃气表无法通信的范围内时，群首节点会把本群内所有的信息传递给另外的、可以和手操器进行直接通信的群首节点。

手操器抄表前会在燃气管理中心下载有关需要抄表用户的信息，抄表完成以后，手操器会将抄表信息传递给燃气管理中心，完成一个完整的抄表过程。其中，手操器和燃气管理中心之间的联系是通过RS-232或者USB通信完成的。

设计的自组网抄表系统绑定了每个网络分群的物理地址，各个节点也绑定有固定的物理地址，一般按照某小区某单元某楼层某个住户进行定义。这种定义使组网速度更快，且节省了网络资源。

燃气表属于电池供电的家用小型仪表，功耗对于这类仪表非常重要，无线收发需要消耗大量的电流，因此尽可能地降低电流消耗，延长电池使用寿命成为判定燃气表性价比的一个标准。

为了解决这一问题，结合CC1101无线收发器的功能，组网中使用载波侦听、电磁波唤醒功能，每隔一段时间自动唤醒无线模块进行数据侦听。如果接收到抄表命令,则进行相应的数据处理；没有接收到抄表命令,则进入睡眠模式，如此周而复始。无线模块每次侦听数据时有较大的电流消耗，大约为30～40 mA；睡眠模式下消耗电流为17 μA左右。

5 软件设计

5.1 燃气表软件设计

根据MSP430系列单片机的自身特点，编程采用C语言，并使用模块化设计。系统软件主要由主程序、中断服务程序和一系列的功能子程序组成。主程序主要完成系统的监控、系统的初始化、校准、数据存储和开中断等。系统的测量、通信、按键和数据显示等均通过中断与主程序相连。系统流程图如图8所示。

图8 燃气表主程序流程图Fig.8 Flowchart of the main program of gas meter

5.2 手操器软件设计

手操器软件流程图如图9所示。

图9 手操器主程序流程图Fig.9 Flowchart of the main program of handheld terminal

手操器的软件设计主要有两个部分，分别为手操器与无线模块。手操器包含有手操器的键盘设置、界面设置、数据库建立和数据传输等。无线模块部分将手操器上设置的数据通过无线模式传输给无线燃气表，并采集数据。

6 功耗测试

无线模块是整个燃气表中功耗比较大的一个模块，因此需要将无线模块的功耗控制在一定范围，以保证整个燃气表的低功耗特性。由于外部晶振对于功耗有很大影响，表1列出了包含有无线模块与不包含有无线模块的线路板分别在两种外部时钟源模式下的功耗值。

表1 外部晶振及线路板功耗大小Tab.1 Power consumptions of the external crystal oscillator and circuit board

在测试过程中，针对发射功率为10 dB的情况，对处于3 s侦听模式下的无线模块的发射功率、接收功率，以及睡眠模式下的电流消耗、无线模块的数据传输距离进行了测试，测试结果如表2所示。

表2 功耗及传输距离Tab.2 Power consumption and transmission distance

燃气表端的功耗分析如下所示。

① 无线模块功耗。在3 s周期唤醒模式下，每3 s进行一次数据收发。接收状态下的最大电流消耗为16 mA，接收时间为15 ms；发送状态下的最大电流消耗为50 mA，发送时间为1 ms；睡眠模式下的最大电流消耗为11 μA，则其平均电流为：

I1= 16 mA×15 ms/3 s+50 mA×

1 ms/(24×3 600 s)+

11 μA×2.985 s/3 s=90.95 μA

(1)

② 干簧管模块功耗。干簧管属于无源器件，其驱动电压为3.3 V，主要电流消耗是1 MΩ的上拉电阻，消耗电流为3.3 V/1 MΩ=3.0 μA。因脉冲时间极短，此部分的电流消耗可以忽略。

③ MSP430F417与液晶显示模块功耗。单片机处于工作模式时，每3 s进行一次数据处理，每次消耗的电流为400 μA，时间为40 ms。当单片机进入睡眠模式时，除了液晶显示和电源模块，别的模块均处于关闭状态，电流消耗为15 μA，则其平均电流为：

I3=400 μA×40 ms/3 s+15 μA=20.33 μA

(2)

④ 阀门驱动模块功耗。燃气表阀门开启关闭动作瞬间的电流消耗大约为15 mA，但是这个过程的时间持续很短，所以其消耗可以忽略不计。一般状况下阀门均处于开启状态，阀门开启状态下的电流消耗为30 μA，则其平均电流消耗为：

I4=30 μA

(3)

⑤ IC卡模块功耗。IC卡读卡消耗电流15 mA，读卡时间为2.5 ms，则平均电流消耗为：

I5=15 mA×2.5 ms/(24×3 600 s)=0.000 4 μA

⑥ 整体的功耗。

I=(I1+I3+I4+I5)×24=3.39 mAh

(4)

一节干电池容量按2 500 mAh计算，理论上，燃气表可以不更换电池工作两年。

7 结束语

根据燃气公司需求，设计了一种基于CC1101无线收发器的自组网抄表系统。对硬件部分进行了设计，研究了组网协议，建立了一套抄表方案。设计的无线自组网抄表系统具有成本低、效率高和低功耗等特点。

[1] 胡绪美,邓立三.IC卡燃气表应用探讨[J].金卡工程,2003(11):35-37.

[2] Ao Biao,Shen Xiaoliu,Zhang Xiaohui.Key managment systemof IC card based on informationsecurity[C]//Computer Application and System Modeling (ICCASM):2010 International Conference on IEEE,Beijing: Peking University Press,2010:273-275.

[3] Xie Jianhua,Zhong Jianpeng. Research on application of key infrastructure algorithm about smart IC card system[C]//2009 Third International Symposium on Intelligent Information Technology Application,2009:12-14.

[4] 刘威垣,李陆弘,俞智斌.远程抄表及燃气泄漏监控系统在住宅区的应用[J].煤气与热力,2009,29(9):21-27.

[5] 彭建盛,何奇文,廖维斌,等.基于无线单片机CC2510的智能家居系统的设计[J].河池学院学报,2008,28(5):50-55.

[6] 蒋益锋,胡琳娜.基于GPRS无线远程抄表系统的研究与实现[J].电脑知识与技术,2007(16):948-950.

[7] 冯济琴,吴敏,王先全.基于CC1100的无线网络燃气表设计[J].重庆工学院学报:自然科学版,2009,23(4):86-89.

A Wireless Ad-hoc Network Natural Gas Meter Reading System

The wireless meter reading modes in civil natural gas metering field are researched. In order to solve the problems of manual meter reading, including time consuming and laborious, security of the user data, and hard to access, the wireless Ad-hoc network meter reading system established by clustering algorithm is introduced. The system is composed of three parts, i.e., gas management center, handheld terminals and the wireless Ad-hoc network supported gas meters. The complete design strategy for meter reading is proposed for implementing wireless transmission of the gas data. The system features low power consumption and high meter reading efficiency.

Clustering algorithm Wireless data communication Handheld terminal Wireless gas meter Ad-hoc network

国家质量监督检验检疫总局质检公益性行业科研专项基金资助项目(编号：201410133)。

李文军(1970-)，男，1996年毕业于南昌大学工程热物理专业，获硕士学位，副教授；主要从事热工仪表及测试计量技术的研究。

TH814

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506012

浙江省科学技术厅重大科技专项重点科研项目(编号：2013C01137);

修改稿收到日期：2014-09-18。