基于WSN的燃氣表自動抄表系統設計

摘要：針對現有的抄表系統的現狀與不足，結合燃氣表直讀技術、無線傳感器網絡技術和GPRS技術的優點，設計了一套低功耗燃氣自動抄表系統。提出系統的整體方案，并對系統的硬件設計、軟件設計加以詳細說明。該系統由三級網絡構成，一級網絡和二級網絡采用不同的頻率，降低了數據傳輸時的干擾，提高了燃氣表智能終端的使用壽命。系統具有結構簡單、布置靈活、低功耗等優點。
關鍵詞：自動抄表；WSN；GPRS；低功耗；SI4432

0 引言
隨著城市化進程的發展，燃氣表使用量迅速增加，抄表計量也日趨復雜；同時，居民住宅檔次不斷提高，人們對生活的環境和物業水平的要求也越來越高。傳統的入戶抄表方式不但浪費人力物力，且存在安全隱患，已經不適應現代物業管理的需求。
目前抄表技術主要有人力手持抄表、紅外、RS 485、電力載波、ZigBee、GPRS等方式。人力手持抄表工作量大且效率低，準確性和實時性差。RS 485方式覆蓋面較廣，但須人工布線，前期工作量大，后期不易維護。電力載波抄表方式對電網要求較高，容易受干擾。ZigBee抄表方式組網靈活，覆蓋面廣，但信號穿墻能力較弱。GPRS抄表方式則需要安裝大量的GPRS模塊，通過GPRS網絡通信，運營成本較高。結合無線傳感器網絡和GPRS網絡的特點，以及燃氣抄表對功耗的嚴格要求，本文設計了一種低復雜度、低功耗、低成本的抄表系統。

1 關鍵技術簡介
1．1 WSN技術
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)的研究起源于20世紀90年代，它綜合了傳感器技術、嵌入式技術、現代網絡及無線通信等多種先進技術。無線傳感器網絡一般由分布在監測區域內的大量傳感器節點組成。這些節點具有采集傳感器數據、數據處理，無線數據發送功能。節點之間可以相互通信，組成一個多層次的自組織網絡。采集的傳感器數據通過這個網絡發送到匯聚節點，再由匯聚節點通過互聯網或衛星發送到監控中心。
1．2 GPRS技術
GPRS是通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。GPRS可說是GSM的延續。
GPRS經常被描述成“2．5G”，也就是說這項技術位于第二代(2G)和第三代(3G)移動通信技術之間。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。
1．3 燃氣表直讀技術
燃氣表直讀技術是近幾年新興的一種技術，基本原理是通過在基表內安裝光電直讀裝置，利用紅外線對帶有透光槽的字輪進行非接觸式的掃描，從而得到與字輪讀數相應的狀態編碼，通過對編碼進行譯碼后得到與基表字輪窗口相同的值，其關鍵技術是絕對式編碼。光電直讀裝置主要有以下特點：光電直讀裝置平時不需供電，只在抄表瞬間供電；準確度高，不受電場磁場干擾；海明距離為1的編碼，有利于識別；光電直讀裝置直接可讀取基表的窗口值，無需記憶累加，前一次抄表值對下一次無任何影響。

2 無線抄表系統整體結構
系統的整體結構如圖1所示，主要包括燃氣表智能終端、采集器、集中器、手持抄表器和監控中心。在小區內的每棟樓安置一個或多個采集器，每個采集器下轄32個燃氣表智能終端，集中器安裝在小區管理中心，監控中心放在燃氣公司。整個系統包含三級網絡，一級網絡：每個采集器與下轄的32個智能燃氣表終端組成星狀網絡；二級網絡：采集器與集中器之間組成自組織網絡；三級網絡：集中器與監控中心通信采用的GPRS網絡。

3 系統硬件設計
系統硬件主要包括：燃氣表智能終端，采集器和集中器。
3．1 燃氣表智能終端硬件設計
燃氣表智能終端電路主要包括電源管理模塊、MCU、無線發射模塊、數據采集模塊。燃氣表根據實際的需求，采用電池供電，因此，其設計對功耗有著嚴格的要求。
(1)電源管理模塊。電源管理芯片采用日本精工公司出產的S-T111B33。
(2)MCU模塊。處理器芯片采用TI公司的低功耗，性能杰出的MSP430F2232單片機。
(3)無線發射模塊。射頻模塊主要用于智能終端與采集器，采集器與集中器之間的通信。射頻模塊與MCU之間以SPI相連。射頻芯片采用Noridic公司生產的SI4432該芯片可工作在240～930 MHz之間，具有較強的抗干擾和穿墻能力，通信距離較遠，可達到1500 m；功耗較低，接收電流僅為18．5 mA，發射電流為30 mA(+13 dBm)，85 mA(+20 dBm)；可以進行自動頻率校正(AFC)；發送和接收帶64個字節的FIFOs；可配置數據包格式，實現前導碼檢測。
(4)數據采集模塊。數據采集模塊主要由5個紅外發射管和5個紅外接收管組成，發射管工作電流為10 mA，接收管的反應時間為30 ms。發射管和接收管均勻分布在360°的圓周上，字輪上開有透光槽。當燃氣表智能終端接收到抄表指令后，循環點亮5個發射管，同時檢測接收管的狀態。根據是否接收到光，來給相應的位置1或置0。采用了絕對式編碼來記錄字輪轉動時位置，這種編碼的海明距離為1。相鄰的碼字只由一個數字位相互區分開，也就是，在相鄰的信息組中，二進信息問的最小差別或距離只是一比特的變化，有利于減少識別讀數的誤碼率。同時，采用了一種超前進位的編碼發式，解決了9到0進位時存在誤差的問題。
3．2 采集器的硬件設計
采集器需要進行繁重的數據通信，所以采用市電供電，且有備用的3．6 V的鋰電池。采集器主要由電源模塊、MCU模塊、射頻模塊、存儲模塊和時鐘芯片組成。電源模塊采用驅動能力較強的LM1117；微處理器采用低功耗、性能杰出的MSP430F149芯片；射頻芯片為Noridic公司的SI4432；存儲模塊采用AT24C256；時鐘芯片選擇Dallas公司生產的DS12887，此芯片自帶晶振及電池，在沒有外部電源的情況下可工作10年，具有三種可編程中斷，月誤差在1 min之內。