物聯時代的水氣表無線自組網抄表

　　目前國家全面推動產業戰略轉型的規劃，能源的管理與利用也越來越變的重要，并納入了國家重點項目之中，同時隨著人工成本高的上升以及國家提出的經濟增長方式的轉變，針對水表，燃氣表智能化的采集與管理提出了更高的要求，融入物聯時代實現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氣表采集與管理已經有6年的歷史，與各大水氣表廠有著良好的合作關系，在這領域有著豐富的經驗。本文將著重介紹的無線水氣表抄表方式，和近年來發展起來的先進的自組網模式抄表方式。

　　目前水氣表無線集抄主要有以下三種方案方案：A:采集器模式抄表B:手抄機模式抄表.C:無線自組網模式抄表.這三種方式各有優缺點，隨著芯片與網絡技術的發展與進步，無線自組網模式抄表.漸漸成為現在發展的主流。

　　1) 采集器模式抄表：

　　采集器模式抄表，策略是由模塊定時將數據上傳給采集器(如20分鐘一次).采集器被動接收并打包將數據通過GPRS上傳。這種方式模塊端一般只需要定時發射即可，無需接收，模塊的功耗比較容易控制，軟件也簡單，可以實現自動抄表。由于是單向，這種方式是不能通過采集器下傳命令給模塊，當然也有個別廠家采用收發模塊，在模塊定時發射結束后等待幾十到幾百毫秒以便接收采集器下發的命令，但這種方法區別于單向發射，必須要設置采集器管理哪些模塊的地址,這樣增加了施工的復雜性。同時采集器管理的模塊地址事先已經設置好，就不能像單發的模式采集器不用區分模塊的地址，只要是這個網內的模塊采集器都可以將數據上傳。

　　采集器模式抄表，最大問題是通訊距離和可靠性，由于是星形網絡，只有一級路由，通訊距離就是采集器與模塊點對點的距離，所以接收環境較差的模塊可能通訊不上，解決的方法只能是增加采集器或增加中繼器，這又增加了系統成本和復雜程度。這種方式還有一個問題，是可靠性，在施工中安裝調試正常的系統，抄表效果比較好，隨著時間天氣和環境的變化，網路拓撲也發生了變化，可能就有個別的模塊脫網，實測半年過后，一般脫網的模塊達到5%以上。此外不能配合手抄機抄表，手抄機只能與采集器通訊，也是其缺點之一。　　

圖一：采集器模式抄表

　　2) 手抄機模式抄表。

　　手抄機模式抄表的構架圖如圖二，人工用手抄機抄表,模塊采用異步的周期喚醒接收. 手抄機可內置數據庫軟件如SQL for WINCE， 操作時由工作人員手拿手抄機，走到信號覆蓋距離內，進行逐個抄表，或搜索數據庫進行自動批量抄表。對于沒有抄到的模塊，可改變位置或靠近所抄模塊。由于有人工干預,抄表成功率較高,系統設計簡單可靠.抄表速度較快, 如果模塊周期喚醒的時間為1秒一次，平均約1.5秒可抄一塊表.對比人工一個月可完成3-4千的抄表量，約為人工的十幾倍以上效率。　　

圖二：手抄機模式抄表意圖

　　手抄機模式抄表對應的模塊采用異步周期喚醒接收，以1秒打開一次，接收采用美國SEMTECH超低功耗的射頻芯片SX1212為例，具體原理如下：

　　典型的無線收發機編碼如下圖。　

PREAMBLE (前導碼)

SYNCWORD (同步碼)

DATA + FEC +CRC (數據 + 前向糾錯 + CRC檢錯)

　　前導碼為“1010”交替碼，其作用是使目的接收機時鐘與發射機同步，正常模式下前導碼長度一般為32bit即可，前導碼還有喚醒接收機的功能，此時發射機必須發送較長的前導碼將省電模式下的接收機喚醒進入正常的工作狀態。如設置接收機1秒鐘喚醒一次，那么接收機每間隔1秒鐘喚醒一次搜索前導碼(tw)，持續長度一般為16bit。而發射機首先發射1秒以上的前導碼再發射后面得同步碼等，這意味著接收機在喚醒的周期，只要信道中發現前導碼，在正常情況下都能夠可成功檢測到并喚醒接收，示意圖見圖三。

　　

圖三：模塊采用周期喚醒收異步發時序圖

　

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　因為模塊是通過周期性喚醒接收來實現省電的，所以在功耗與喚醒周期和每次喚醒搜索前導碼的時間(tw)，以及休眠的靜態功耗有關。如喚醒周期為1秒，搜索前導碼的時間(tw)時間平均值為5ms. 收發速率為5Kbps.

　　在周期性喚醒模式下電池的使用壽命可以通過以下公式算出：

　　例如：電池是 3.6V/3.6AH ER18505鋰亞電池，采用SX1212的模塊持續接收電流僅僅只有2.8mA，休眠電流1.5uA.射頻傳輸速率5Kbps,喚醒周期為1SEC,那么電池使用壽命是：

　　考慮到電池的自放電,不同電流下的容量差異，溫度等功耗和每月幾次的使用，1節3.6V/3.6AH ER18505鋰亞電池正常情況下有超過10年的使用壽命。

　　模塊周期喚醒接收的功耗主要取決于接收電流和每個周期定時打開的時間。定時打開的時間和通訊速率有關，在接收電流確定的情況下，通訊速率越快平均功耗越低，但通訊距離和通訊速率成反比，功耗和通訊距離要平衡好不易.此外這種方式雖然抄表效率較高，但畢竟需要人工抄表.不能實現全自動抄表，以及實時監控每一個表的狀況。

　　3)無線自組網方式抄表.

　　無線自組網方式抄表是由集中器負責抄表與路由的管理,模塊與前一種方式類似采用周期喚醒接收(如1秒一次). 完全自動組網,有著多級路由，覆蓋的區域大大增加，任何一個模塊都可以當路由，所有路由都自動選擇，當環境改變時路由能自動恢復，無需人工干預.抄表速度平均約2-10秒一塊表,安裝簡單，抄表成功率非常高.同時無線自組網方式抄表，也支持手抄機模式抄表，所以它集成了二種模式的優點。

　　無線自組網方式抄表的模塊省電原理與上一種模式相同也是采用異步的周期喚醒接收，所以功耗也類似。無線自組網方式抄表缺點是:成本稍高,軟件復雜, 模塊電量消耗不平衡，靠近集中器的模塊由于起到路由作用，在抄表是時電量消耗會多一些，這需要靠增大待機冗余解決，但這對一個月只抄幾次的水氣表，這個問題并不突出。　　

圖四：無線自組網方式抄表

　　深圳市安美通科技有限公司研制的WMRNET無線網絡由一個集中器和若干個模塊組成，見圖四。用戶的讀取數據的操作全部通過集中器完成，在網絡協議中對用戶屏蔽了組網與維護網絡的工作，用戶可隨時查詢在網的模塊和其狀況以及用集中器通過模塊讀取表的數據，而不必關心和干預網絡的運行，網絡所有維護工作均在后臺軟件完成。

　　類似ZIGBEE網絡，WMRNET無線網絡組網方式為自上而下自動組網方式，同時無線網絡采用健壯的網形拓撲結構，利用收發場強判決鏈路的質量，從而決定組網的條件。網絡每個模塊都可以有多條路徑，一個模塊支持多個父模塊.任意模塊都可作為父模塊，無線網絡能夠自動選擇合理的路由路徑。

　　處于活動狀態WMRNET無線網絡，當新的模塊處于網絡覆蓋范圍內，在一定的時間WMRNET無線網絡會自動識別模塊ID并加入網絡。網絡靜默狀態時，網絡的路由與模塊狀態處于凍結狀態，但用戶仍可以用集中器通過模塊讀取表的數據。

　　WMRNET無線網絡支持網絡靜默模式，通過集中器設置網絡靜默后，同一網絡的的集中器和全部模塊均不會主動發射數據，用戶也可以隨時取消靜默狀態。利用功能網絡靜默功能，用戶可以分時激活網絡，這種方式可以用一個頻率讀取多個網絡。

　　無線頻道的劃分采用類似GSM網絡同樣的原理，見圖五，在兩個不同的地理區域里配置相同的頻率.如在不同的城市中使用相同頻率的AM或FM廣播電臺.

　　一個系統中可以有許多同信道WMRNET網絡，整個頻譜分配被劃分為K個頻率復用的模式，即單位無線區群中WMRNET網絡的個數，如圖五，其中K=4、7 、12等.允許同頻率重復使用的最小距離取決于許多因素，如網絡附近的同信道網絡數，地理地形類別，每個網絡模塊的作用范圍.K增加，頻率復用距離D也增加。增加了的頻率復用距離將減小同信道干擾發生的可能.

　　同樣原理,利用網絡靜默功能,也可以用一個頻率實現于時分復用,這樣就可以實現用一個頻率抄整個區域的若干個WMRNET網絡.

　　頻率復用距離D由下式確定：

　　其中，K是圖三 中所示的頻率復用模式。則：

　　D=3.46R        K=4

　　D=4.6R          K=7

　　D=6.0R          K=12

　　

圖五：無線網絡頻率復用模式

　　總結：

　　國家“十二五”規劃明確提出，物聯網將會在智能電網、智能交通、智能物流、智能家電、安全監控、金融與服務業、國防軍事十大領域重點部署。據有關消息稱，其中僅僅智能電網總投資預計達2萬億元，居十大領域之首，預計到2015年物聯網的產業規模2000億元。

　　深圳市安美通科技有限公司是物聯網行業領軍企業，所研發的低頻段的無線自組織網產品已成功運用智能電網，無線水氣表和智能路燈的控制與節能等行業。我們相信隨著物聯網行業運用的深度與廣度的快速發展，物聯網行業將展現出更廣闊的前景。