一種新型無線燃氣集抄器的設(shè)計及實現(xiàn)

陳立萬，汪宋良

CHEN Li-wan1, WANG Song-liang2

（1.重慶三峽學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，萬州 404000；2.寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，寧波 315100）

0 引言

智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)可以提高燃氣抄表系統(tǒng)的自動化程度，簡化抄表流程，隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)的研究必將有新的和更大的突破！無線集抄器不僅負責(zé)范圍內(nèi)燃氣表通信，而且負責(zé)把表數(shù)據(jù)上傳給GPRS/GSM模塊，即總集中器。本文主要從硬件電路設(shè)計、軟件編程、集抄器之間數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議三方面進行闡述。整個系統(tǒng)對環(huán)境要求低、功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離較遠、靈敏度高、性能穩(wěn)定,達到智能抄表系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)[1]，這些良好的性能特點使得它能很好應(yīng)用于無線抄表行業(yè)。

1 無線集抄器功能模塊

無線集抄器通過收發(fā)模塊接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，此種方式不需敷設(shè)線路，而且維護、安裝方便。一般每棟居民樓安裝一個集抄器，負責(zé)自動抄取本棟樓所有燃氣表數(shù)據(jù)，集抄器通過無線收發(fā)模塊與外界通信，一方面通過無線方式抄取本樓所有表數(shù)據(jù)；另一方面通過無線方式把表數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。集抄器抄取表數(shù)據(jù)都存儲于內(nèi)存中，主控制器通過讀/寫存儲器得到數(shù)據(jù)。有線接口是備用方式，如果無線收發(fā)模塊無法通信時，可以使用有線接口現(xiàn)場抄取表數(shù)據(jù)。功能模塊圖如1所示。集抄器主要實現(xiàn)功能有：1）負責(zé)集抄器范圍內(nèi)燃氣表數(shù)據(jù)收集（比如抄表、關(guān)閥、開閥和測試等）；2）負責(zé)上傳燃氣表數(shù)據(jù)給GPRS/GSM模塊；3）實現(xiàn)集抄器之間數(shù)據(jù)中繼功能。

圖1 集抄器功能框圖

2 軟件設(shè)計及實現(xiàn)

一個小區(qū)中，系統(tǒng)規(guī)定每棟樓有一個集抄器，這么多集抄器收集的燃氣表數(shù)據(jù)都必須通過無線形式發(fā)送到小區(qū)總集中器（即GPRS/GSM模塊）。由于小區(qū)建筑分布不規(guī)則，正方形、長方形、圓形、扇形、不規(guī)則形等都有；這給集抄器之間數(shù)據(jù)通信造成很大困難。如圖2所示，數(shù)字表示建筑不同棟號，即集抄器，每個小區(qū)有一個總集中器，負責(zé)與集抄器數(shù)據(jù)通信，虛線表示集抄器之間任意無線通信。正是由于建筑物不規(guī)則分布，如何有效將各個集抄器數(shù)據(jù)發(fā)送到總集中器，如何中繼這些數(shù)據(jù)等問題是集抄器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所要解決的。當(dāng)集抄器與總集中器不能直接點對點通信，而需要中間節(jié)點（其他集抄器）時，路由選擇是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法必需重點解決的，比如15號集抄器無法直接與總集中器通信，必須通過中繼節(jié)點2或1或5等，發(fā)送數(shù)據(jù)到總集中器。

圖2 小區(qū)建筑不規(guī)則分布

2.1 新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

從源節(jié)點經(jīng)過中繼節(jié)點，到達目的節(jié)點，這樣構(gòu)成一條通信路徑（路由）。本文采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為最基本的自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——泛洪（Flooding）[2～13]技術(shù)，并結(jié)合新的網(wǎng)絡(luò)路由方法實現(xiàn)，其工作原理是：源節(jié)點向所有的鄰近節(jié)點廣播分組，中間節(jié)點判斷是否是目的節(jié)點，如果不是且第一次收到該分組，則繼續(xù)廣播；否則，直接丟棄。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有效地克服了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的盲目性，通過隨機退避時間，有效避免泛洪技術(shù)的隱藏和暴露節(jié)點問題。在幀格式中順序控制域表示不同信息的序列號，以及同一信息的重發(fā)序列號，網(wǎng)絡(luò)通過該標(biāo)志，判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)信息。如果收到順序控制域與前一順序控制域相同，則不作任何處理；如果不相同則轉(zhuǎn)發(fā)（本機地址和目的地址不相同時）；當(dāng)目的地址為本機地址時，則進入本機處理程序。以此大大提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性和縮短了延時時間。通信過程如圖3所示，當(dāng)12號集抄器發(fā)送數(shù)據(jù)給總集中器時，10和13同時收到，兩者通過隨機退避信道競爭，先后發(fā)送數(shù)據(jù)到8號，8號集抄器最后發(fā)送到總集中器。

圖3 通信過程示意圖

由于距離和穿墻性制約，集抄器不能直接與GPRS/GSM模塊通信，而需要通過中繼節(jié)點實現(xiàn)，本文提出一種新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)集抄器與GPRS/GSM模塊之間通信。集抄器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程圖如下4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程圖

2.2 集抄器算法

任何節(jié)點收到數(shù)據(jù)時，如需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，則首先選取退避隨機時間t，然后檢測信道忙閑，忙則退避固定時間后再次檢測信道，直到數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)，如圖5所示。

圖5 隨機退避方法

設(shè)備上電后，通過復(fù)位電路開始工作。首先初始化，包括單片機MSP430F135和AT86RF211S初始化設(shè)置[13]。AT86RF211S初始化包括速率、工作頻率、校驗位、數(shù)據(jù)長度、喚醒地址等。初始化完成后，單片機等待中斷，AT86RF211S處于休眠狀態(tài)。如果外界信號或者采集器數(shù)據(jù)中斷使能，喚醒單片機工作，其他時間處于休眠狀態(tài)。如果外界有信號，通過AT86RF211S喚醒單片機，單片機收到正確數(shù)據(jù)后，通過信息標(biāo)志位判斷信息是否收到過。如果第一次收到，則繼續(xù)下面程序，否則丟棄數(shù)據(jù)，重新回到初始狀態(tài)；其次，判斷信息目的地址，如果目的地址為本機，則進入本機處理程序，否則把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他集抄器；進入本機處理程序后，根據(jù)命令字，進行相應(yīng)的程序處理中斷，比如集抄、單抄、關(guān)閥、開閥和更新表數(shù)據(jù)等操作。最后，集抄器完成上位機相應(yīng)命令后，需要發(fā)送確認信號給上位機，程序流程圖如6所示。集抄器抄表流程圖如7所示。

圖6 集抄器主程序框圖

圖7 集抄器抄表流程圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1 集抄器硬件電路

集抄器硬件電路的無線射頻收發(fā)模塊選取AT86RF211S，供電電源經(jīng)AC-DC變換供電，電路設(shè)計中，穩(wěn)定性、可靠性和成本為主要考慮因素[14～16]，集抄器硬件電路原理圖如圖8所示。

圖8 集抄器硬件電路原理圖

3.2 射頻模塊接口電路

AT86RF211S芯片與MSP430F135之間通過串行三線口連接，實現(xiàn)射頻模塊與單片機之間通信，同時單片機通過SLE、SCK、SDATA三根時序線實現(xiàn)對AT86RF211S芯片寄存器、狀態(tài)等控制，如圖9所示。

圖9 射頻模塊接口

3.3 存儲器電路

集抄器需要抄取一棟樓所有燃氣表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量處理比較大，并且處理中還需要存儲，所以電路需要外接存儲器。本電路設(shè)計中，外接EEPROM存儲器AT24C01和RAM存儲器6264。EEPROM存儲器可以在掉電下保存數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于保存燃氣表數(shù)據(jù)，而RAM存儲器用于保存臨時數(shù)據(jù)，比如燃氣表數(shù)據(jù)處理、打包以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀重新組裝等工作。圖10所示，單片機與外部存儲器連接原理圖，AT24C01通過SCL、SDA兩根數(shù)據(jù)線與單片機連接控制，6264通過地址線、數(shù)據(jù)線和控制線與單片機連接。S-485為備用通信方式,在集抄器正常工作下，不使用有線接口RS-485通信，只有當(dāng)無線通信方式異常或者安裝人員對其測試才使用。

圖10 存儲器擴展連接圖

4 結(jié)束語

本章主要討論了集抄器及接口電路(射頻收發(fā)電路、存儲器)和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與算法的實現(xiàn)。其創(chuàng)新點在于以低功耗MSP430單片機為核心，自行設(shè)計了無線燃氣表集抄器及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及其算法，并進行了軟件編程。把燃氣表和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接起來，實現(xiàn)了全無線燃氣集抄系統(tǒng)，通過對燃氣表集抄器系統(tǒng)部分進行安裝與調(diào)試，測得如下實驗數(shù)據(jù)，發(fā)射功率為16 dB/m，接收靈敏度為-95dB/m，工作電流為40mA 左右，供電電壓為AC-DC(3.0V) ，頻段為免費頻段433MHz，通信距離（空曠）為500米左右。

從方案論證到調(diào)試成功，作者不僅進行了大量實驗，還做了大量的理論研究，系統(tǒng)可靠性高。在國家對城市能源供應(yīng)問題和居民小區(qū)現(xiàn)代化予以充分重視的大好形勢下，無線抄表有著十分廣闊的發(fā)展市場，對本產(chǎn)品的研制、開發(fā)，必將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益。

[1]中華人民共和國建設(shè)部.自動抄表系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005:50-160.

[2]陳林星,金純,楊吉云.IEEE802.11 無線局域網(wǎng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:40-89.

[3]鄭少仁,王海濤,趙志峰.Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2005:50-86.

[4]方旭明,何蓉.短距離無線與移動通信網(wǎng)絡(luò)[M].北京:人民郵電出版社,2004:90-120.

[5]Luo Kun,Huang Ji-wu,Yuan Lan-ying,Wang Lai-yun.Implement of Flex and Pocsag Pager Testing System[J].Wuhan University Journal of Natural Science,1999,4(3):322-325.

[6]Yi Ping,Zhong Yiping,Zhang Shiyong.Real-Time Protocol Attacks in Mobile Ad Hoc Networks[J].Fifth IEEE International Symposium and School on Advance Distributed Systems, Lecture Notes in Computer Science,Guadalajara,Spinger-Verlag,Jalisco,Mexico,2005:24-28.

[7]Zhang Yongguang,Lee Wenke,Huang Yi-An.Intfusion Detection Techniques for Mobile Wreless Networks[J].CAM/Kluwer Wireless Networks Journal,2003,9(5):45-48.

[8]Eltoweissy M.,Heydari H.,Morales L.,et al.Combinatorial Opitmization for Key Management in Secure Multicast Environments[J].Journal of Network and System Management, Kluwer Publishing,2004:23-27.

[9]Letteri P,Srivastava MB.Adptive Frame Length Control for Improving Wirless Link Throughput,Range and Energy Efficiency.Proceedings of IEEE INFOCOM98,San Francisco,USA,1998:564-571.

[10]CUI C C,LI B,HUANG F G,et al.Genetic algorithm based form error valuation[J].Measurement science and technology,2007,18(7):1818-1824.

[11]CORDEIRO C,GOSSAIN H,AGRAWAL D P.Multicast over wireless mobile ad hoc networks:Present and Future Directions[J].IEEE Network,2003:67-70.

[12]LIAN F L.Network design consideration for distributed control systems[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2002,21(1):297-307.

[13]陸圣軒,徐安,郭凱杰.智能家居通訊協(xié)議xPL的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33(10):135-140.

[14]楊艷琴,翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:80-140.

[15]嚴美善,袁濤.低功耗無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33(12):86-91.

[16]陳立萬，汪宋良.無線抄表系統(tǒng)低功耗控制電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,8(8):1198-1203.