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基于WSN的燃气表自动抄表系统设计

作者:时间:2012-05-31来源:网络收藏

摘要:针对现有的抄表的现状与不足,结合表直读技术、无线传感器网络技术和GPRS技术的优点,了一套低功耗抄表。提出的整体方案,并对系统的硬件、软件加以详细说明。该系统由三级网络构成,一级网络和二级网络采用不同的频率,降低了数据传输时的干扰,提高了表智能终端的使用寿命。系统具有结构简单、布置灵活、低功耗等优点。
关键词:抄表;;GPRS;低功耗;SI4432

0 引言
随着城市化进程的发展,燃气表使用量迅速增加,抄表计量也日趋复杂;同时,居民住宅档次不断提高,人们对生活的环境和物业水平的要求也越来越高。传统的入户抄表方式不但浪费人力物力,且存在安全隐患,已经不适应现代物业管理的需求。
目前抄表技术主要有人力手持抄表、红外、RS 485、电力载波、ZigBee、GPRS等方式。人力手持抄表工作量大且效率低,准确性和实时性差。RS 485方式覆盖面较广,但须人工布线,前期工作量大,后期不易维护。电力载波抄表方式对电网要求较高,容易受干扰。ZigBee抄表方式组网灵活,覆盖面广,但信号穿墙能力较弱。GPRS抄表方式则需要安装大量的GPRS模块,通过GPRS网络通信,运营成本较高。结合无线传感器网络和GPRS网络的特点,以及燃气抄表对功耗的严格要求,本文设计了一种低复杂度、低功耗、低成本的抄表系统。

1 关键技术简介
1.1 技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,)的研究起源于20世纪90年代,它综合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通信等多种先进技术。无线传感器网络一般由分布在监测区域内的大量传感器节点组成。这些节点具有采集传感器数据、数据处理,无线数据发送功能。节点之间可以相互通信,组成一个多层次的自组织网络。采集的传感器数据通过这个网络发送到汇聚节点,再由汇聚节点通过互联网或卫星发送到监控中心。
1.2 GPRS技术
GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称,它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。
GPRS经常被描述成“2.5G”,也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通信技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道,提供中速的数据传递。
1.3 燃气表直读技术
燃气表直读技术是近几年新兴的一种技术,基本原理是通过在基表内安装光电直读装置,利用红外线对带有透光槽的字轮进行非接触式的扫描,从而得到与字轮读数相应的状态编码,通过对编码进行译码后得到与基表字轮窗口相同的值,其关键技术是绝对式编码。光电直读装置主要有以下特点:光电直读装置平时不需供电,只在抄表瞬间供电;准确度高,不受电场磁场干扰;海明距离为1的编码,有利于识别;光电直读装置直接可读取基表的窗口值,无需记忆累加,前一次抄表值对下一次无任何影响。

2 无线抄表系统整体结构
系统的整体结构如图1所示,主要包括燃气表智能终端、采集器、集中器、手持抄表器和监控中心。在小区内的每栋楼安置一个或多个采集器,每个采集器下辖32个燃气表智能终端,集中器安装在小区管理中心,监控中心放在燃气公司。整个系统包含三级网络,一级网络:每个采集器与下辖的32个智能燃气表终端组成星状网络;二级网络:采集器与集中器之间组成自组织网络;三级网络:集中器与监控中心通信采用的GPRS网络。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/160524.htm

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3 系统硬件设计
系统硬件主要包括:燃气表智能终端,采集器和集中器。
3.1 燃气表智能终端硬件设计
燃气表智能终端电路主要包括电源管理模块、MCU、无线发射模块、数据采集模块。燃气表根据实际的需求,采用电池供电,因此,其设计对功耗有着严格的要求。
(1)电源管理模块。电源管理芯片采用日本精工公司出产的S-T111B33。
(2)MCU模块。处理器芯片采用TI公司的低功耗,性能杰出的MSP430F2232单片机。
(3)无线发射模块。射频模块主要用于智能终端与采集器,采集器与集中器之间的通信。射频模块与MCU之间以SPI相连。射频芯片采用Noridic公司生产的SI4432该芯片可工作在240~930 MHz之间,具有较强的抗干扰和穿墙能力,通信距离较远,可达到1500 m;功耗较低,接收电流仅为18.5 mA,发射电流为30 mA(+13 dBm),85 mA(+20 dBm);可以进行频率校正(AFC);发送和接收带64个字节的FIFOs;可配置数据包格式,实现前导码检测。
(4)数据采集模块。数据采集模块主要由5个红外发射管和5个红外接收管组成,发射管工作电流为10 mA,接收管的反应时间为30 ms。发射管和接收管均匀分布在360°的圆周上,字轮上开有透光槽。当燃气表智能终端接收到抄表指令后,循环点亮5个发射管,同时检测接收管的状态。根据是否接收到光,来给相应的位置1或置0。采用了绝对式编码来记录字轮转动时位置,这种编码的海明距离为1。相邻的码字只由一个数字位相互区分开,也就是,在相邻的信息组中,二进信息问的最小差别或距离只是一比特的变化,有利于减少识别读数的误码率。同时,采用了一种超前进位的编码发式,解决了9到0进位时存在误差的问题。
3.2 采集器的硬件设计
采集器需要进行繁重的数据通信,所以采用市电供电,且有备用的3.6 V的锂电池。采集器主要由电源模块、MCU模块、射频模块、存储模块和时钟芯片组成。电源模块采用驱动能力较强的LM1117;微处理器采用低功耗、性能杰出的MSP430F149芯片;射频芯片为Noridic公司的SI4432;存储模块采用AT24C256;时钟芯片选择Dallas公司生产的DS12887,此芯片自带晶振及电池,在没有外部电源的情况下可工作10年,具有三种可编程中断,月误差在1 min之内。

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