基于WSN的燃气表自动抄表系统设计

摘要：针对现有的抄表系统的现状与不足，结合燃气表直读技术、无线传感器网络技术和GPRS技术的优点，设计了一套低功耗燃气自动抄表系统。提出系统的整体方案，并对系统的硬件设计、软件设计加以详细说明。该系统由三级网络构成，一级网络和二级网络采用不同的频率，降低了数据传输时的干扰，提高了燃气表智能终端的使用寿命。系统具有结构简单、布置灵活、低功耗等优点。
关键词：自动抄表；WSN；GPRS；低功耗；SI4432

0 引言
    随着城市化进程的发展，燃气表使用量迅速增加，抄表计量也日趋复杂；同时，居民住宅档次不断提高，人们对生活的环境和物业水平的要求也越来越高。传统的入户抄表方式不但浪费人力物力，且存在安全隐患，已经不适应现代物业管理的需求。
    目前抄表技术主要有人力手持抄表、红外、RS 485、电力载波、ZigBee、GPRS等方式。人力手持抄表工作量大且效率低，准确性和实时性差。RS 485方式覆盖面较广，但须人工布线，前期工作量大，后期不易维护。电力载波抄表方式对电网要求较高，容易受干扰。ZigBee抄表方式组网灵活，覆盖面广，但信号穿墙能力较弱。GPRS抄表方式则需要安装大量的GPRS模块，通过GPRS网络通信，运营成本较高。结合无线传感器网络和GPRS网络的特点，以及燃气抄表对功耗的严格要求，本文设计了一种低复杂度、低功耗、低成本的抄表系统。

1 关键技术简介
1．1 WSN技术
    无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的研究起源于20世纪90年代，它综合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通信等多种先进技术。无线传感器网络一般由分布在监测区域内的大量传感器节点组成。这些节点具有采集传感器数据、数据处理，无线数据发送功能。节点之间可以相互通信，组成一个多层次的自组织网络。采集的传感器数据通过这个网络发送到汇聚节点，再由汇聚节点通过互联网或卫星发送到监控中心。
1．2 GPRS技术
    GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。
    GPRS经常被描述成“2．5G”，也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通信技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。
1．3 燃气表直读技术
    燃气表直读技术是近几年新兴的一种技术，基本原理是通过在基表内安装光电直读装置，利用红外线对带有透光槽的字轮进行非接触式的扫描，从而得到与字轮读数相应的状态编码，通过对编码进行译码后得到与基表字轮窗口相同的值，其关键技术是绝对式编码。光电直读装置主要有以下特点：光电直读装置平时不需供电，只在抄表瞬间供电；准确度高，不受电场磁场干扰；海明距离为1的编码，有利于识别；光电直读装置直接可读取基表的窗口值，无需记忆累加，前一次抄表值对下一次无任何影响。

2 无线抄表系统整体结构
    系统的整体结构如图1所示，主要包括燃气表智能终端、采集器、集中器、手持抄表器和监控中心。在小区内的每栋楼安置一个或多个采集器，每个采集器下辖32个燃气表智能终端，集中器安装在小区管理中心，监控中心放在燃气公司。整个系统包含三级网络，一级网络：每个采集器与下辖的32个智能燃气表终端组成星状网络；二级网络：采集器与集中器之间组成自组织网络；三级网络：集中器与监控中心通信采用的GPRS网络。

3 系统硬件设计
    系统硬件主要包括：燃气表智能终端，采集器和集中器。
3．1 燃气表智能终端硬件设计
    燃气表智能终端电路主要包括电源管理模块、MCU、无线发射模块、数据采集模块。燃气表根据实际的需求，采用电池供电，因此，其设计对功耗有着严格的要求。
    (1)电源管理模块。电源管理芯片采用日本精工公司出产的S-T111B33。
    (2)MCU模块。处理器芯片采用TI公司的低功耗，性能杰出的MSP430F2232单片机。
    (3)无线发射模块。射频模块主要用于智能终端与采集器，采集器与集中器之间的通信。射频模块与MCU之间以SPI相连。射频芯片采用Noridic公司生产的SI4432该芯片可工作在240～930 MHz之间，具有较强的抗干扰和穿墙能力，通信距离较远，可达到1500 m；功耗较低，接收电流仅为18．5 mA，发射电流为30 mA(+13 dBm)，85 mA(+20 dBm)；可以进行自动频率校正(AFC)；发送和接收带64个字节的FIFOs；可配置数据包格式，实现前导码检测。
    (4)数据采集模块。数据采集模块主要由5个红外发射管和5个红外接收管组成，发射管工作电流为10 mA，接收管的反应时间为30 ms。发射管和接收管均匀分布在360°的圆周上，字轮上开有透光槽。当燃气表智能终端接收到抄表指令后，循环点亮5个发射管，同时检测接收管的状态。根据是否接收到光，来给相应的位置1或置0。采用了绝对式编码来记录字轮转动时位置，这种编码的海明距离为1。相邻的码字只由一个数字位相互区分开，也就是，在相邻的信息组中，二进信息问的最小差别或距离只是一比特的变化，有利于减少识别读数的误码率。同时，采用了一种超前进位的编码发式，解决了9到0进位时存在误差的问题。
3．2 采集器的硬件设计
    采集器需要进行繁重的数据通信，所以采用市电供电，且有备用的3．6 V的锂电池。采集器主要由电源模块、MCU模块、射频模块、存储模块和时钟芯片组成。电源模块采用驱动能力较强的LM1117；微处理器采用低功耗、性能杰出的MSP430F149芯片；射频芯片为Noridic公司的SI4432；存储模块采用AT24C256；时钟芯片选择Dallas公司生产的DS12887，此芯片自带晶振及电池，在没有外部电源的情况下可工作10年，具有三种可编程中断，月误差在1 min之内。
3．3 集中器的硬件设计
   集中器主要以无线的方式与采集器和监控中心进行通信。集中器的主要功能是向采集器发送抄表指令，并将采集的数据通过GPRS模块发送至监控中心。集中器的硬件结构如图2所示，主要包括电源模块、ARM9、射频模块、GPRS模块、存储模块、键盘、LCD。

    集中器采用市电供电，带有备用锂电池。稳压芯片采用LM1117；处理器采用三星公司的S3C2440A，主频为400 MHz，最高可达533 MHz，该处理器功耗极低，片上资源丰富；射频芯片采用Noridic公司的SI4432；存储模块有两个部分：SDRAM和FLASH，两块容量为32 MB，16位数据线的SDRAM并行组成32位，直接与处理器相连，用以运行程序，FLASH为64 MB的NND FLASH；LCD为7寸真彩色TFT液晶屏。

4 系统软件设计
    系统软件是基于IAR Embedded Workbench平台，采用C语言开发，主要包括燃气表智能终端、采集器、集中器三个部分。
4．1 燃气表智能终端的设计
    燃气表智能终端主要和采集器以及手持抄表器进行通信。系统上电后首先初始化硬件，然后向采集器发送注册请求，之后根据收到的指令完成相应的工作，流程图如图3所示。

4．2 采集器软件设计
    采集器作为数据传输的中枢，为了降低系统的整体功耗，采用了变频的方法。数据在一级网络和二级网络中传输时采用不同的频点。采集器在进行初始化后配置相应的参数，然后向集中器发送路由请求，构建自组织网络。组网完成后切换频率，保持和采集器在同一个频率，进入接收模式，等待来自集中器的指令。
4．3 集中器软件设计
    集中器作为小区内的数据汇聚节点，向上通过GPRS网络与监控中心通信；向下通过自组织网络与采集器和燃气表终端通信。系统上电后，首先进行硬件初始化，配置相应的寄存器参数，随GPRS模块和无线射频模块都进入接收模式。主要完成两个任务：等待采集器初始化后，发送路由请求，完成自组网；等待监控中心发送的指令。监控中心在每次抄表之前都要首先和集中器进行校时，校时结束后集中器再和采集器进行校时，以保证整个抄表网络的时间同步。若收到监控中心的抄表指令，则把相应的指令发送到采集器，完成单个抄表，局部抄表以及整个网络抄表。

5 结语
    本文提出的自动抄表系统将燃气表直读技术、无线传感器技术和GPRS网络结合起来，实现远程集中抄表。系统设计优先考虑低功耗，燃气表智能终端采用了先进的电源管理模式，同时一级网络和二级网络采用不同的频率，减少了彼此间的干扰，延长了电池的使用寿命，提高了系统的可靠性。采集器与燃气表智能终端以无线方式通信，无需人工布线，布置灵活，后期容易维护。目前，该系统已在南通市崇川区部分小区使用，实践证明该系统稳定可靠，易于实现，布置灵活，实用性强，并可适用于水表、电表等。