基于WSN的燃氣表自動抄表系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對現(xiàn)有的抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀與不足，結(jié)合燃氣表直讀技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)的優(yōu)點，設(shè)計了一套低功耗燃氣自動抄表系統(tǒng)。提出系統(tǒng)的整體方案，并對系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計加以詳細說明。該系統(tǒng)由三級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，一級網(wǎng)絡(luò)和二級網(wǎng)絡(luò)采用不同的頻率，降低了數(shù)據(jù)傳輸時的干擾，提高了燃氣表智能終端的使用壽命。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活、低功耗等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：自動抄表；WSN；GPRS；低功耗；SI4432

0 引言
隨著城市化進程的發(fā)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(huán)境和物業(yè)水平的要求也越來越高。傳統(tǒng)的入戶抄表方式不但浪費人力物力，且存在安全隱患，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代物業(yè)管理的需求。
目前抄表技術(shù)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(wǎng)要求較高，容易受干擾。ZigBee抄表方式組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)通信，運營成本較高。結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的特點，以及燃氣抄表對功耗的嚴格要求，本文設(shè)計了一種低復雜度、低功耗、低成本的抄表系統(tǒng)。

1 關(guān)鍵技術(shù)簡介
1．1 WSN技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(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(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信等多種先進技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成。這些節(jié)點具有采集傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能。節(jié)點之間可以相互通信，組成一個多層次的自組織網(wǎng)絡(luò)。采集的傳感器數(shù)據(jù)通過這個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送到監(jiān)控中心。
1．2 GPRS技術(shù)
GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說是GSM的延續(xù)。
GPRS經(jīng)常被描述成“2．5G”，也就是說這項技術(shù)位于第二代(2G)和第三代(3G)移動通信技術(shù)之間。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。
1．3 燃氣表直讀技術(shù)
燃氣表直讀技術(shù)是近幾年新興的一種技術(shù)，基本原理是通過在基表內(nèi)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(shù)相應(yīng)的狀態(tài)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(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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(jiān)控中心。在小區(qū)內(nèi)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(qū)管理中心，監(jiān)控中心放在燃氣公司。整個系統(tǒng)包含三級網(wǎng)絡(luò)，一級網(wǎng)絡(luò)：每個采集器與下轄的32個智能燃氣表終端組成星狀網(wǎng)絡(luò)；二級網(wǎng)絡(luò)：采集器與集中器之間組成自組織網(wǎng)絡(luò)；三級網(wǎng)絡(luò)：集中器與監(jiān)控中心通信采用的GPRS網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)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(shè)計
燃氣表智能終端電路主要包括電源管理模塊、MCU、無線發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。燃氣表根據(jù)實際的需求，采用電池供電，因此，其設(shè)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(fā)射電流為30 mA(+13 dBm)，85 mA(+20 dBm)；可以進行自動頻率校正(AFC)；發(fā)送和接收帶64個字節(jié)的FIFOs；可配置數(shù)據(jù)包格式，實現(xiàn)前導碼檢測。
(4)數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要由5個紅外發(fā)射管和5個紅外接收管組成，發(fā)射管工作電流為10 mA，接收管的反應(yīng)時間為30 ms。發(fā)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(huán)點亮5個發(fā)射管，同時檢測接收管的狀態(tài)。根據(jù)是否接收到光，來給相應(yīng)的位置1或置0。采用了絕對式編碼來記錄字輪轉(zhuǎn)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(shù)字位相互區(qū)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(shù)的誤碼率。同時，采用了一種超前進位的編碼發(fā)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(shè)計
采集器需要進行繁重的數(shù)據(jù)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(qū)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(chǎn)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(nèi)。