基于物聯網技術的燃氣表智能抄表系統設計*

康文龍， 計 東

(遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

能源問題與國民經濟的穩定發展以及社會的健康運行有非常緊密的聯系，在當前能源逐漸緊缺以及科學技術水平逐漸發展的過程中我國對于節能工作的重視逐漸提升[1，2]。目前在我國通常一個小區和樓層使用同一個溫控閥，一般采用包費制的收費方法[3]，這種收費方式主要存在兩個缺陷：用戶無法對取暖費進行選擇，不利于調動用戶節能積極性，甚至很多用戶采用開窗散熱的方式來解決室溫過高的問題；居民在選擇住宅時并不傾向于價格較高和保溫性較好的住宅，這進一步的降低了開發商開發這種類型住宅的動力，對于整個建筑行業的發展產生消極影響。在以上幾種因素的影響下，相比于發達國家，我國供熱系統的單位面積能耗量非常大[4～6]。

在物聯網思想逐漸普及的過程中無線通信技術得到了快速的發展，無線抄表技術逐漸應用，相比于傳統的抄表技術，其不需要布線，具有較高的資源利用率和工程建設成本。本文研究一種通過通用分組無線業務(general packet radio service,GPRS)網絡技術以及ZigBee技術相互融合的基于物聯網技術來實現遠程無線自動抄表系統，對于供氣部門的技術變革以及社會智能化的發展產生了積極的影響。

1 系統總體結構

設計的系統主要包括控制平臺、協調器、集中器以及采集器。可以根據需求進行定時采集和即時采集，可以在網絡中進行數據有效傳輸。通過對ZigBee樹狀網絡結構的應用，能夠在管理節點的過程中有效提升數據傳輸效率，對于數據傳輸成本以及降低節點管理成本有非常積極的作用。

抄表系統的工作流程為：在集中器自動上傳命令以及控制中心發送上傳命令以后就將兩種抄表方式長傳，實現雙向通信的功能，集中器能夠在規定的時間內主動上傳數據，在收到特殊的需求時控制中心會向集中器下達命令，然后再將命令下達到采集中，這對于目標節點能量消耗的降低有非常好的效果，同時還能夠進行實時監控。在采集到用戶的電量以后，采集器將電量信號向脈沖信號轉換，同時對數據進行定時儲存[7，8]。利用射頻(radio frequency,RF)模塊將數據向ZigBee網絡進行傳送，數據經過ZigBee向集中器傳輸。在整合處理所采集的數據后，集中器就可以進行數據打包，并利用GPRS網絡向控制中心發送數據。在控制中心可以實時管理和查詢電量的使用情況，同時在數據庫中存儲這些數據。

無線抄表系統的整體網絡如圖1所示，廣域網絡及底層局域網是網絡的兩種主要類型，作為局域網絡的重要組成部分，采集器能夠對電能表中的數據進行采集，并利用路由節點向集中器傳輸數據。在接收到采集器采集到的數據以后集中器就通過GPRS與互聯網進行連接，并向遠程控制中心傳遞數據。在網絡中利用協調器可以向控制平臺的計算機傳輸RS-232串口接收到的數據。在分析和處理數據以后控制平臺就可以在數據庫中存儲這些數據，便于查詢用戶數據。

圖1 無線抄表系統的整體網絡

2 物聯傳感網絡節點硬件系統

無線抄表系統硬件總體設計如圖2所示，主要包括時鐘電路、GPRS模塊、RF天線、復位、RS—232、數據采集部分以及控制芯片部分。

圖2無線抄表系統硬件總體設計

本文將TI 公司2.4 GHz射頻芯片 CC2530作為農場智能監控的無線傳感網絡系統的主控芯片。

1)主控器最小系統

圖3所示為CC2530最小系統硬件電路。在保證主控器正常運行的電路中最小系統電路是最基本的電路。

圖3 CC2530最小系統電路

2)無線射頻電路

地埋管地源熱泵系統的初投資最高，主要在于地埋管換熱器初投資較高，地埋管的費用主要包括鉆孔和管材的費用，本工程需鉆6個孔深度為100m的地埋管換熱孔，南昌地區地埋管換器的投資約為100元/米孔深，而地下水源熱泵系統由于增加了殼管式換熱器以及中間循環泵，使得初投資有所增加。相比這2種方案，空氣源熱泵機組的設備費用包括安裝費用，且無須考慮室外管網敷設、打井以及室外循環泵等費用，初投資較低，各方案的初投資見表5所示。

在設計無線射頻電路的過程中雙端口和單端口之間的轉換主要通過巴倫電路來實現，以保證天線和饋線匹配最優[9，10]。如圖4所示為無線射頻匹配電路，如果需要利用CC2530模塊進行數據的發送，數據首先通過差分射頻端口 RF_P,RF_N向巴倫電路發送，并向單端信號進行轉換，然后由天線發射。如果數據需要CC2530接收，在接收到信號以后，首先在巴倫電路中進行轉換，然后向RF_P，RF_N 端口發送，完成整個接收過程。

圖4 無線射頻匹配電路

3)供電電路

220V交流電源為供電電路的主要電力來源，利用穩壓芯片LM7812、橋堆及變壓器能夠將交流電源轉換為直流電源，其中可以轉換為供給傳感器采集電路以及控制器工作的兩種電流[11]。經過LM1117—3.3芯片還可以將轉換得到的直流電源進行再轉換，給外圍電路提供工作電源。

4)通信裝置硬件電路

本文將LPC2368芯片作為通信裝置硬件的主控芯片，實現與CC2530的數據傳輸。將華為 GTM900C 無線模塊作為通信裝置的GPRS模塊。如圖5所示為通信裝置的硬件結構。

圖5 通信裝置硬件結構

5)抄表數據通信電路

圖6 抄表數據通信電路

3 智能抄表系統軟件設計

3.1 采集器程序設計

系統中采集節點無法發揮路由的功能，另外只能夠實現與路由節點和網關節點的通信。由于對于路由中繼節點和相鄰節點不是必須的。因此采集節點和連通整個網絡的基礎上能夠完成離線工作[12]。在完成系統初始化以后，數據采集命令通過集中器下達到采集節點。通的情況下采集節點可以進行離線工作[13]。在初始化系統以后，集中器會向采集節點下達數據采集命令，完成入網以后采集節點即進入到循環過程中，完成采集數據的工作，采集節點的地址在系統中定義為0X00，定義延遲實現為10 s，每間隔10 s進行數據采集，然后向集中器發送所采集到的數據。

3.2 集中器程序

集中器能夠集中網線抄表網絡所獲得的相關數據，并采用有效的途徑將數據傳輸到ZigBee網絡之外的GPRS網絡。因此集中器在整個系統網絡中主要發揮網關的作用。控制中心下發的命令幀首先傳輸到集中器中，然后利用相關的轉換協議可以將數據發送給ZigBee模塊。然后對于接收到的數據進行處理，數據經過GPRS模塊箱控制中心發送，并記錄讀取時間。將按鍵模塊集中在集中器中，通過按鍵修改集中器中的一些特定參數，如IP網關以及相關的遠端服務器等。初始程序開始運行以后循環執行主程序，并不間斷地判斷系統配置。當需要時可以對管理部門和用戶所需要的參數進行配置，并在存儲器中存儲這些參數。由于在與主控制通信的過程中GPRS模塊和ZigBee模塊均使用串口通信。因此串口中斷程序主要包括ZigBee網絡和GPRS網絡兩個方面。當終端在Zigbee網絡中起源時，判斷是否進行數據上傳，讀取時鐘芯片，并將時間和數據存儲到靜態存儲器中，發送和傳輸數據到中心數據庫。在進行數據采集時需要綁定GPR模塊、采集器節點以及集中器，并將綁定過程中產生的指令向相關設備發送，在接收完成綁定命令后，采集器和GPRS向集中器發送綁定指令碼，完成綁定過程后將底層網絡設備添加到無線抄表系統網絡中[14]。

4 系統測試

確定軟件程序和硬件電路不存在錯誤，對系統進行測試，必須在保證數據可以正常運輸的基礎上來實現無線抄表系統通信的正常運行。

本系統所設計的硬件、軟件以及無線通信模塊能夠有效適用于現場要求，實現無線抄表的功能。在無線傳輸數據的過程中無法避免的受到各種主客觀因素的干擾，因此不是所有區域都具有較高的數據傳輸質量。通過軟件能夠對發送路徑進行調整以及延時發送，可以對暫時性干擾問題進行處理。測試硬件，集中器節點界面如圖7所示。經過測試以后，發現本文研究的基于物聯網技術的燃氣表智能抄表系統能夠對燃氣表進行遠程智能抄表，系統實現簡易，數據收發可靠。

圖7 測試硬件與集中器節點界面

5 結 論

本文研究了一種通過GPRS網絡技術以及ZigBee技術相互融合的基于物聯網技術來實現遠程無線自動抄表系統，對于供氣部門的技術變革以及社會智能化的發展產生了積極的影響。