登录
注册
物联时代的水气表无线自组网抄表
目前国家全面推动产业战略转型的规划，能源的管理与利用也越来越变的重要，并纳入了国家重点项目之中，同时随着人工成本高的上升以及国家提出的经济增长方式的转变，针对水表，燃气表智能化的采集与管理提出了更高的要求，融入物联时代实现智能有效的管理已成必然!
深圳市安美通科技有限公司在水气表采集与管理已经有6年的历史，与各大水气表厂有着良好的合作关系，在这领域有着丰富的经验。本文将着重介绍的无线水气表抄表方式，和近年来发展起来的先进的自组网模式抄表方式。
目前水气表无线集抄主要有以下三种方案方案：A:采集器模式抄表B:手抄机模式抄表.C:无线自组网模式抄表.这三种方式各有优缺点，随着芯片与网络技术的发展与进步，无线自组网模式抄表.渐渐成为现在发展的主流。
1) 采集器模式抄表：
采集器模式抄表，策略是由模块定时将数据上传给采集器(如20分钟一次).采集器被动接收并打包将数据通过GPRS上传。这种方式模块端一般只需要定时发射即可，无需接收，模块的功耗比较容易控制，软件也简单，可以实现自动抄表。由于是单向，这种方式是不能通过采集器下传命令给模块，当然也有个别厂家采用收发模块，在模块定时发射结束后等待几十到几百毫秒以便接收采集器下发的命令，但这种方法区别于单向发射，必须要设置采集器管理哪些模块的地址,这样增加了施工的复杂性。同时采集器管理的模块地址事先已经设置好，就不能像单发的模式采集器不用区分模块的地址，只要是这个网内的模块采集器都可以将数据上传。
采集器模式抄表，最大问题是通讯距离和可靠性，由于是星形网络，只有一级路由，通讯距离就是采集器与模块点对点的距离，所以接收环境较差的模块可能通讯不上，解决的方法只能是增加采集器或增加中继器，这又增加了系统成本和复杂程度。这种方式还有一个问题，是可靠性，在施工中安装调试正常的系统，抄表效果比较好，随着时间天气和环境的变化，网路拓扑也发生了变化，可能就有个别的模块脱网，实测半年过后，一般脱网的模块达到5%以上。此外不能配合手抄机抄表，手抄机只能与采集器通讯，也是其缺点之一。
图一：采集器模式抄表
2) 手抄机模式抄表。
手抄机模式抄表的构架图如图二，人工用手抄机抄表,模块采用异步的周期唤醒接收. 手抄机可内置数据库软件如SQL for WINCE， 操作时由工作人员手拿手抄机，走到信号覆盖距离内，进行逐个抄表，或搜索数据库进行自动批量抄表。对于没有抄到的模块，可改变位置或靠近所抄模块。由于有人工干预,抄表成功率较高,系统设计简单可靠.抄表速度较快, 如果模块周期唤醒的时间为1秒一次，平均约1.5秒可抄一块表.对比人工一个月可完成3-4千的抄表量，约为人工的十几倍以上效率。
图二：手抄机模式抄表意图
手抄机模式抄表对应的模块采用异步周期唤醒接收，以1秒打开一次，接收采用美国SEMTECH超低功耗的射频芯片SX1212为例，具体原理如下：
典型的无线收发机编码如下图。
|
PREAMBLE (前导码) |
SYNCWORD (同步码) |
DATA + FEC +CRC (数据 + 前向纠错 + CRC检错) |
图三：模块采用周期唤醒收异步发时序图
{$page$}
因为模块是通过周期性唤醒接收来实现省电的，所以在功耗与唤醒周期和每次唤醒搜索前导码的时间(tw)，以及休眠的静态功耗有关。如唤醒周期为1秒，搜索前导码的时间(tw)时间平均值为5ms. 收发速率为5Kbps.
在周期性唤醒模式下电池的使用寿命可以通过以下公式算出：
例如：电池是 3.6V/3.6AH ER18505锂亚电池，采用SX1212的模块持续接收电流仅仅只有2.8mA，休眠电流1.5uA.射频传输速率5Kbps,唤醒周期为1SEC,那么电池使用寿命是：
考虑到电池的自放电,不同电流下的容量差异，温度等功耗和每月几次的使用，1节3.6V/3.6AH ER18505锂亚电池正常情况下有超过10年的使用寿命。
模块周期唤醒接收的功耗主要取决于接收电流和每个周期定时打开的时间。定时打开的时间和通讯速率有关，在接收电流确定的情况下，通讯速率越快平均功耗越低，但通讯距离和通讯速率成反比，功耗和通讯距离要平衡好不易.此外这种方式虽然抄表效率较高，但毕竟需要人工抄表.不能实现全自动抄表，以及实时监控每一个表的状况。
3)无线自组网方式抄表.
无线自组网方式抄表是由集中器负责抄表与路由的管理,模块与前一种方式类似采用周期唤醒接收(如1秒一次). 完全自动组网,有着多级路由，覆盖的区域大大增加，任何一个模块都可以当路由，所有路由都自动选择，当环境改变时路由能自动恢复，无需人工干预.抄表速度平均约2-10秒一块表,安装简单，抄表成功率非常高.同时无线自组网方式抄表，也支持手抄机模式抄表，所以它集成了二种模式的优点。
无线自组网方式抄表的模块省电原理与上一种模式相同也是采用异步的周期唤醒接收，所以功耗也类似。无线自组网方式抄表缺点是:成本稍高,软件复杂, 模块电量消耗不平衡，靠近集中器的模块由于起到路由作用，在抄表是时电量消耗会多一些，这需要靠增大待机冗余解决，但这对一个月只抄几次的水气表，这个问题并不突出。
图四：无线自组网方式抄表
深圳市安美通科技有限公司研制的WMRNET无线网络由一个集中器和若干个模块组成，见图四。用户的读取数据的操作全部通过集中器完成，在网络协议中对用户屏蔽了组网与维护网络的工作，用户可随时查询在网的模块和其状况以及用集中器通过模块读取表的数据，而不必关心和干预网络的运行，网络所有维护工作均在后台软件完成。
类似ZIGBEE网络，WMRNET无线网络组网方式为自上而下自动组网方式，同时无线网络采用健壮的网形拓扑结构，利用收发场强判决链路的质量，从而决定组网的条件。网络每个模块都可以有多条路径，一个模块支持多个父模块.任意模块都可作为父模块，无线网络能够自动选择合理的路由路径。
处于活动状态WMRNET无线网络，当新的模块处于网络覆盖范围内，在一定的时间WMRNET无线网络会自动识别模块ID并加入网络。网络静默状态时，网络的路由与模块状态处于冻结状态，但用户仍可以用集中器通过模块读取表的数据。
WMRNET无线网络支持网络静默模式，通过集中器设置网络静默后，同一网络的的集中器和全部模块均不会主动发射数据，用户也可以随时取消静默状态。利用功能网络静默功能，用户可以分时激活网络，这种方式可以用一个频率读取多个网络。
无线频道的划分采用类似GSM网络同样的原理，见图五，在两个不同的地理区域里配置相同的频率.如在不同的城市中使用相同频率的AM或FM广播电台.
一个系统中可以有许多同信道WMRNET网络，整个频谱分配被划分为K个频率复用的模式，即单位无线区群中WMRNET网络的个数，如图五，其中K=4、7 、12等.允许同频率重复使用的最小距离取决于许多因素，如网络附近的同信道网络数，地理地形类别，每个网络模块的作用范围.K增加，频率复用距离D也增加。增加了的频率复用距离将减小同信道干扰发生的可能.
同样原理,利用网络静默功能,也可以用一个频率实现于时分复用,这样就可以实现用一个频率抄整个区域的若干个WMRNET网络.
频率复用距离D由下式确定：
其中，K是图三 中所示的频率复用模式。则：
D=3.46R K=4
D=4.6R K=7
D=6.0R K=12
图五：无线网络频率复用模式
总结：
国家“十二五”规划明确提出，物联网将会在智能电网、智能交通、智能物流、智能家电、安全监控、金融与服务业、国防军事十大领域重点部署。据有关消息称，其中仅仅智能电网总投资预计达2万亿元，居十大领域之首，预计到2015年物联网的产业规模2000亿元。
深圳市安美通科技有限公司是物联网行业领军企业，所研发的低频段的无线自组织网产品已成功运用智能电网，无线水气表和智能路灯的控制与节能等行业。我们相信随着物联网行业运用的深度与广度的快速发展，物联网行业将展现出更广阔的前景。
.jpg)
