李文軍 高建陽(yáng) 劉 潔 鄭永軍

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院熱工研究所，浙江 杭州 310018)

一種無(wú)線自組網(wǎng)天然氣抄表系統(tǒng)

李文軍 高建陽(yáng) 劉 潔 鄭永軍

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院熱工研究所，浙江 杭州 310018)

對(duì)天然氣民用計(jì)量領(lǐng)域中的無(wú)線抄表方式進(jìn)行了研究。為解決人工抄表耗費(fèi)人工資源、用戶數(shù)據(jù)安全、入戶抄表難等問(wèn)題，引入了一種分群算法建立無(wú)線自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)，系統(tǒng)由燃?xì)夤芾碇行摹⑹植倨骱椭С譄o(wú)線自組網(wǎng)的燃?xì)獗砣糠纸M成。提出了一套完整的抄表設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)鈹?shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。系統(tǒng)具有功耗低、抄表效率高等特點(diǎn)。

分群算法 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 手操器 無(wú)線燃?xì)獗?自組網(wǎng)

0 引言

天然氣作為一種新興的燃?xì)饽茉?，因其無(wú)污染、燃燒值高而得到廣泛應(yīng)用，并帶動(dòng)了燃?xì)鈽I(yè)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展。在民用領(lǐng)域，抄表方式多采取人工入戶抄表，但是這種比較傳統(tǒng)的抄表方式難以滿足社會(huì)的實(shí)際需求。因此，須研發(fā)具有無(wú)線自動(dòng)抄表功能的燃?xì)獗硪约敖o(wú)線抄表系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)分為三層。第一層是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，由集成了CC1101無(wú)線收發(fā)器的燃?xì)獗順?gòu)成；第二層是手操器，手操器上集成有CC1101無(wú)線收發(fā)器；第三層是燃?xì)夤芾碇行摹Ｏ到y(tǒng)第一層所選用的工作頻段為433 MHz，對(duì)墻體穿透能力較強(qiáng)，適用于居民樓宇中的組網(wǎng)。通信協(xié)議采用的自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)合了TI公司的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與分群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，省去了路由節(jié)點(diǎn)，降低了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷。系統(tǒng)第二層的手操器以ARM為核心，集成有無(wú)線射頻通信模塊，負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)燃?xì)獗韰?shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)第三層為燃?xì)夤芾碇行模窍到y(tǒng)的信息庫(kù)，包含整個(gè)用戶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息[2]。

2 燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

無(wú)線燃?xì)獗硎浅硐到y(tǒng)的終端部分，存儲(chǔ)著用戶使用燃?xì)獾乃行畔3]。燃?xì)獗淼目傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the structure of gas meter

燃?xì)獗淼碾娐凡糠职粋€(gè)具有低功耗功能的單片機(jī)，外部電路包括電源電路、計(jì)數(shù)電路、低電壓檢測(cè)電路、閥門控制電路、液晶顯示電路、IC卡預(yù)付費(fèi)電路、基于CC1101的無(wú)線收發(fā)電路。在燃?xì)獗黼娐分校娫词褂?節(jié)1.5 V鋰電池供電，并具有兩重低電壓檢測(cè)電路。當(dāng)電池電壓低于5 V時(shí)，液晶屏?xí)霈F(xiàn)更換電池字樣，蜂鳴器開(kāi)啟報(bào)警，采用雙重功能提醒用戶更換電池。若用戶沒(méi)有更換電池，電池電壓低于4.8 V后，燃?xì)獗頃?huì)自動(dòng)關(guān)閉閥門，停止供氣。

作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線燃?xì)獗聿捎玫闹骺匦酒荕SP430F417單片機(jī)，單片機(jī)和它的外圍電路可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能、計(jì)量統(tǒng)計(jì)功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能等。

2.2 主電路設(shè)計(jì)

無(wú)線燃?xì)獗碇骺匦酒x擇的MSP430F417是一種具有低功耗功能的單片機(jī)，對(duì)于電池供電的小型儀表非常適用。MSP430F417單片機(jī)及外圍電路圖如圖2所示。

圖2 MSP430F417最小系統(tǒng)電路圖Fig.2 Circuit of the minimum MSP430F417 system

2.3 無(wú)線模塊電路設(shè)計(jì)

無(wú)線模塊采用芯片CC1101，其外圍電路圖如圖3所示。

圖3 無(wú)線射頻模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of the wireless RF module

由于無(wú)線部分易受外界干擾，因此做成了一個(gè)獨(dú)立板，留有排針插口，可以直接插在主板上。這種設(shè)計(jì)可以用于不帶無(wú)線收發(fā)功能的IC卡燃?xì)獗恚部梢詰?yīng)用于帶有無(wú)線功能的無(wú)線燃?xì)獗怼?/p>

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路如圖4所示。電源模塊采用4節(jié)1.5 V鋰電池供電，包含兩塊低電壓檢測(cè)芯片，分別為圖4中的U1和U3。當(dāng)電池電壓低于5 V時(shí)，與U1相連接的單片機(jī)管腳PowerLow_1會(huì)發(fā)生一個(gè)電平的跳變。單片機(jī)收到跳變信號(hào)后會(huì)通知蜂鳴器發(fā)出低電壓報(bào)警命令，并使液晶顯示“電池電量低”字樣，提醒用戶更換電池。當(dāng)電池電壓低于4.8 V時(shí)，與U3相連接的單片機(jī)管腳PowerLow_2也會(huì)發(fā)生一個(gè)電平的跳變。此時(shí)單片機(jī)會(huì)控制關(guān)閉閥門，停止對(duì)用戶供氣，同時(shí)液晶顯示“更換電池”字樣。

圖4 電源電路Fig.4 Circuit of the power supply

芯片U5為一個(gè)穩(wěn)壓芯片，輸出電壓為3.3 V，為整個(gè)板子供電。另外，電源電路還加裝了一個(gè)法拉電容，充當(dāng)臨時(shí)電源。上電時(shí)，該法拉電容充電；當(dāng)電池電壓低于某個(gè)值時(shí)，該電容充當(dāng)臨時(shí)電源。

3 手操器設(shè)計(jì)

手操器連接燃?xì)獗砗凸芾碇行模?fù)責(zé)將燃?xì)獗淼男畔鬟f給管理中心，以及按照管理中心的要求更改燃?xì)獗淼膮?shù)。

手操器具有體積小、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、手感舒適、數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入、無(wú)需入戶抄表等特點(diǎn)，適合現(xiàn)階段燃?xì)庑袠I(yè)抄表自動(dòng)化的需求。手操器還具有抄表和氣表檢測(cè)的功能。為了滿足自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)的要求，手操器設(shè)置了氣表群抄的功能，按下按鈕就可以對(duì)燃?xì)獗砑羞M(jìn)行抄寫(xiě)，抄表完成以后顯示已抄表數(shù)目、未抄表數(shù)目，以及未抄表的用戶信息。抄表過(guò)程中會(huì)顯示用戶名、氣表編號(hào)、總用氣量以及氣表地址等一系列信息。通過(guò)手操器可以更改燃?xì)獗韮?nèi)用氣價(jià)格，當(dāng)手操器與燃?xì)獗沓晒νㄐ乓院?，?huì)立即更改表內(nèi)氣價(jià)。

手操器對(duì)于燃?xì)獗淼牟僮骶⒃贑C1101通信模塊之上，CC1101連接燃?xì)獗砗褪植倨?。手操器完成抄表后?huì)將數(shù)據(jù)傳遞給管理中心，手操器和管理中心之間通過(guò)RS-232或者USB模塊進(jìn)行連接,如圖5所示。

圖5 手操器與管理中心連接圖Fig.5 Connections between the handheld terminal and management center

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn)樓宇之間燃?xì)獗淼南嗷ネㄐ?，采用?33 MHz頻段進(jìn)行無(wú)線通信。通信協(xié)議采用的是以分群算法為基礎(chǔ)的自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。系統(tǒng)采用的是類網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6-7]。

4.1 單個(gè)分群網(wǎng)絡(luò)

圖6是燃?xì)獗沓硐到y(tǒng)中一個(gè)小的分群網(wǎng)絡(luò)，其中“1.1”代表群首節(jié)點(diǎn)，“1”代表群內(nèi)子節(jié)點(diǎn)。每個(gè)群內(nèi)子節(jié)點(diǎn)“1”都會(huì)和包含群首節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在直接聯(lián)系，而群首節(jié)點(diǎn)會(huì)和每個(gè)子節(jié)點(diǎn)有通信關(guān)系。一般情況下，分群內(nèi)的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)有直接的通信，都是群首節(jié)點(diǎn)直接給各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，并且直接接收來(lái)自各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的信息。當(dāng)群首節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，各個(gè)子節(jié)點(diǎn)會(huì)建立通信，并將信息傳遞給手操器。

圖6 分群網(wǎng)絡(luò)圖Fig.6 The clustering network

4.2 抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

圖7是整個(gè)燃?xì)獗沓硐到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖。其中a、b、c代表的是3個(gè)子分群網(wǎng)絡(luò)；“1.1”、“2.1”、“3.1”代表的是3個(gè)不同分群中的群首節(jié)點(diǎn)。各個(gè)群首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向群內(nèi)子節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，以及收集群內(nèi)子節(jié)點(diǎn)的信息。

圖7 燃?xì)獗沓硐到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Network structure of the gas meter reading system

由圖7可以看出，群首節(jié)點(diǎn)可以直接和手操器進(jìn)行通信，同時(shí)各個(gè)群首節(jié)點(diǎn)之間也存在著通信。當(dāng)手操器處于RF模塊可直接通信范圍內(nèi)時(shí)，群首節(jié)點(diǎn)直接和手操器進(jìn)行通信；當(dāng)手操器處于部分節(jié)點(diǎn)燃?xì)獗頍o(wú)法通信的范圍內(nèi)時(shí)，群首節(jié)點(diǎn)會(huì)把本群內(nèi)所有的信息傳遞給另外的、可以和手操器進(jìn)行直接通信的群首節(jié)點(diǎn)。

手操器抄表前會(huì)在燃?xì)夤芾碇行南螺d有關(guān)需要抄表用戶的信息，抄表完成以后，手操器會(huì)將抄表信息傳遞給燃?xì)夤芾碇行?，完成一個(gè)完整的抄表過(guò)程。其中，手操器和燃?xì)夤芾碇行闹g的聯(lián)系是通過(guò)RS-232或者USB通信完成的。

設(shè)計(jì)的自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)綁定了每個(gè)網(wǎng)絡(luò)分群的物理地址，各個(gè)節(jié)點(diǎn)也綁定有固定的物理地址，一般按照某小區(qū)某單元某樓層某個(gè)住戶進(jìn)行定義。這種定義使組網(wǎng)速度更快，且節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。

燃?xì)獗韺儆陔姵毓╇姷募矣眯⌒蛢x表，功耗對(duì)于這類儀表非常重要，無(wú)線收發(fā)需要消耗大量的電流，因此盡可能地降低電流消耗，延長(zhǎng)電池使用壽命成為判定燃?xì)獗硇詢r(jià)比的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

為了解決這一問(wèn)題，結(jié)合CC1101無(wú)線收發(fā)器的功能，組網(wǎng)中使用載波偵聽(tīng)、電磁波喚醒功能，每隔一段時(shí)間自動(dòng)喚醒無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)偵聽(tīng)。如果接收到抄表命令,則進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；沒(méi)有接收到抄表命令,則進(jìn)入睡眠模式，如此周而復(fù)始。無(wú)線模塊每次偵聽(tīng)數(shù)據(jù)時(shí)有較大的電流消耗，大約為30～40 mA；睡眠模式下消耗電流為17 μA左右。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 燃?xì)獗碥浖O(shè)計(jì)

根據(jù)MSP430系列單片機(jī)的自身特點(diǎn)，編程采用C語(yǔ)言，并使用模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷服務(wù)程序和一系列的功能子程序組成。主程序主要完成系統(tǒng)的監(jiān)控、系統(tǒng)的初始化、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和開(kāi)中斷等。系統(tǒng)的測(cè)量、通信、按鍵和數(shù)據(jù)顯示等均通過(guò)中斷與主程序相連。系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

圖8 燃?xì)獗碇鞒绦蛄鞒虉DFig.8 Flowchart of the main program of gas meter

5.2 手操器軟件設(shè)計(jì)

手操器軟件流程圖如圖9所示。

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

手操器的軟件設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)部分，分別為手操器與無(wú)線模塊。手操器包含有手操器的鍵盤(pán)設(shè)置、界面設(shè)置、數(shù)據(jù)庫(kù)建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取o(wú)線模塊部分將手操器上設(shè)置的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模式傳輸給無(wú)線燃?xì)獗?，并采集?shù)據(jù)。

6 功耗測(cè)試

無(wú)線模塊是整個(gè)燃?xì)獗碇泄谋容^大的一個(gè)模塊，因此需要將無(wú)線模塊的功耗控制在一定范圍，以保證整個(gè)燃?xì)獗淼牡凸奶匦?。由于外部晶振?duì)于功耗有很大影響，表1列出了包含有無(wú)線模塊與不包含有無(wú)線模塊的線路板分別在兩種外部時(shí)鐘源模式下的功耗值。

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

在測(cè)試過(guò)程中，針對(duì)發(fā)射功率為10 dB的情況，對(duì)處于3 s偵聽(tīng)模式下的無(wú)線模塊的發(fā)射功率、接收功率，以及睡眠模式下的電流消耗、無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)傳輸距離進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 功耗及傳輸距離Tab.2 Power consumption and transmission distance

燃?xì)獗矶说墓姆治鋈缦滤尽?/p>

① 無(wú)線模塊功耗。在3 s周期喚醒模式下，每3 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)收發(fā)。接收狀態(tài)下的最大電流消耗為16 mA，接收時(shí)間為15 ms；發(fā)送狀態(tài)下的最大電流消耗為50 mA，發(fā)送時(shí)間為1 ms；睡眠模式下的最大電流消耗為11 μA，則其平均電流為：

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 干簧管模塊功耗。干簧管屬于無(wú)源器件，其驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V，主要電流消耗是1 MΩ的上拉電阻，消耗電流為3.3 V/1 MΩ=3.0 μA。因脈沖時(shí)間極短，此部分的電流消耗可以忽略。

③ MSP430F417與液晶顯示模塊功耗。單片機(jī)處于工作模式時(shí)，每3 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理，每次消耗的電流為400 μA，時(shí)間為40 ms。當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入睡眠模式時(shí)，除了液晶顯示和電源模塊，別的模塊均處于關(guān)閉狀態(tài)，電流消耗為15 μA，則其平均電流為：

I3=400 μA×40 ms/3 s+15 μA=20.33 μA

(2)

④ 閥門驅(qū)動(dòng)模塊功耗。燃?xì)獗黹y門開(kāi)啟關(guān)閉動(dòng)作瞬間的電流消耗大約為15 mA，但是這個(gè)過(guò)程的時(shí)間持續(xù)很短，所以其消耗可以忽略不計(jì)。一般狀況下閥門均處于開(kāi)啟狀態(tài)，閥門開(kāi)啟狀態(tài)下的電流消耗為30 μA，則其平均電流消耗為：

I4=30 μA

(3)

⑤ IC卡模塊功耗。IC卡讀卡消耗電流15 mA，讀卡時(shí)間為2.5 ms，則平均電流消耗為：

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

⑥ 整體的功耗。

I=(I1+I3+I4+I5)×24=3.39 mAh

(4)

一節(jié)干電池容量按2 500 mAh計(jì)算，理論上，燃?xì)獗砜梢圆桓鼡Q電池工作兩年。

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)燃?xì)夤拘枨?，設(shè)計(jì)了一種基于CC1101無(wú)線收發(fā)器的自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)。對(duì)硬件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究了組網(wǎng)協(xié)議，建立了一套抄表方案。設(shè)計(jì)的無(wú)線自組網(wǎng)抄表系統(tǒng)具有成本低、效率高和低功耗等特點(diǎn)。

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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

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：201410133)。

李文軍(1970-)，男，1996年畢業(yè)于南昌大學(xué)工程熱物理專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事熱工儀表及測(cè)試計(jì)量技術(shù)的研究。

TH814

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506012

浙江省科學(xué)技術(shù)廳重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(編號(hào)：2013C01137);

修改稿收到日期：2014-09-18。