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物聯(lián)時(shí)代的水氣表無(wú)線自組網(wǎng)抄表
目前國(guó)家全面推動(dòng)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的規(guī)劃，能源的管理與利用也越來(lái)越變的重要，并納入了國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目之中，同時(shí)隨著人工成本高的上升以及國(guó)家提出的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變，針對(duì)水表，燃?xì)獗碇悄芑牟杉c管理提出了更高的要求，融入物聯(lián)時(shí)代實(shí)現(xiàn)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(jīng)有6年的歷史，與各大水氣表廠有著良好的合作關(guān)系，在這領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。本文將著重介紹的無(wú)線水氣表抄表方式，和近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)的自組網(wǎng)模式抄表方式。
目前水氣表無(wú)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(jī)模式抄表.C:無(wú)線自組網(wǎng)模式抄表.這三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，隨著芯片與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，無(wú)線自組網(wǎng)模式抄表.漸漸成為現(xiàn)在發(fā)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(shí)將數(shù)據(jù)上傳給采集器(如20分鐘一次).采集器被動(dòng)接收并打包將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS上傳。這種方式模塊端一般只需要定時(shí)發(fā)射即可，無(wú)需接收，模塊的功耗比較容易控制，軟件也簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表。由于是單向，這種方式是不能通過(guò)采集器下傳命令給模塊，當(dāng)然也有個(gè)別廠家采用收發(fā)模塊，在模塊定時(shí)發(fā)射結(jié)束后等待幾十到幾百毫秒以便接收采集器下發(fā)的命令，但這種方法區(qū)別于單向發(fā)射，必須要設(shè)置采集器管理哪些模塊的地址,這樣增加了施工的復(fù)雜性。同時(shí)采集器管理的模塊地址事先已經(jīng)設(shè)置好，就不能像單發(fā)的模式采集器不用區(qū)分模塊的地址，只要是這個(gè)網(wǎng)內(nèi)的模塊采集器都可以將數(shù)據(jù)上傳。
采集器模式抄表，最大問(wèn)題是通訊距離和可靠性，由于是星形網(wǎng)絡(luò)，只有一級(jí)路由，通訊距離就是采集器與模塊點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離，所以接收環(huán)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(tǒng)成本和復(fù)雜程度。這種方式還有一個(gè)問(wèn)題，是可靠性，在施工中安裝調(diào)試正常的系統(tǒng)，抄表效果比較好，隨著時(shí)間天氣和環(huán)境的變化，網(wǎng)路拓?fù)湟舶l(fā)生了變化，可能就有個(gè)別的模塊脫網(wǎng)，實(shí)測(cè)半年過(guò)后，一般脫網(wǎng)的模塊達(dá)到5%以上。此外不能配合手抄機(jī)抄表，手抄機(jī)只能與采集器通訊，也是其缺點(diǎn)之一?！ ?/P>
圖一：采集器模式抄表
2) 手抄機(jī)模式抄表。
手抄機(jī)模式抄表的構(gòu)架圖如圖二，人工用手抄機(jī)抄表,模塊采用異步的周期喚醒接收. 手抄機(jī)可內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)軟件如SQL for WINCE， 操作時(shí)由工作人員手拿手抄機(jī)，走到信號(hào)覆蓋距離內(nèi)，進(jìn)行逐個(gè)抄表，或搜索數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)批量抄表。對(duì)于沒(méi)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(yù),抄表成功率較高,系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠.抄表速度較快, 如果模塊周期喚醒的時(shí)間為1秒一次，平均約1.5秒可抄一塊表.對(duì)比人工一個(gè)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(jī)模式抄表意圖
手抄機(jī)模式抄表對(duì)應(yīng)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(guó)SEMTECH超低功耗的射頻芯片SX1212為例，具體原理如下：
典型的無(wú)線收發(fā)機(jī)編碼如下圖?！?
|
PREAMBLE (前導(dǎo)碼) |
SYNCWORD (同步碼) |
DATA + FEC +CRC (數(shù)據(jù) + 前向糾錯(cuò) + CRC檢錯(cuò)) |
圖三：模塊采用周期喚醒收異步發(fā)時(shí)序圖
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因?yàn)槟K是通過(guò)周期性喚醒接收來(lái)實(shí)現(xiàn)省電的，所以在功耗與喚醒周期和每次喚醒搜索前導(dǎo)碼的時(shí)間(tw)，以及休眠的靜態(tài)功耗有關(guān)。如喚醒周期為1秒，搜索前導(dǎo)碼的時(shí)間(tw)時(shí)間平均值為5ms. 收發(fā)速率為5Kbps.
在周期性喚醒模式下電池的使用壽命可以通過(guò)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(xù)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(jié)3.6V/3.6AH ER18505鋰亞電池正常情況下有超過(guò)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(gè)周期定時(shí)打開的時(shí)間。定時(shí)打開的時(shí)間和通訊速率有關(guān)，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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)抄表，以及實(shí)時(shí)監(jiān)控每一個(gè)表的狀況。
3)無(wú)線自組網(wǎng)方式抄表.
無(wú)線自組網(wǎng)方式抄表是由集中器負(fù)責(zé)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(dòng)組網(wǎng),有著多級(jí)路由，覆蓋的區(qū)域大大增加，任何一個(gè)模塊都可以當(dāng)路由，所有路由都自動(dòng)選擇，當(dāng)環(huán)境改變時(shí)路由能自動(dòng)恢復(fù)，無(wú)需人工干預(yù).抄表速度平均約2-10秒一塊表,安裝簡(jiǎn)單，抄表成功率非常高.同時(shí)無(wú)線自組網(wǎng)方式抄表，也支持手抄機(jī)模式抄表，所以它集成了二種模式的優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)線自組網(wǎng)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(wú)線自組網(wǎng)方式抄表缺點(diǎn)是:成本稍高,軟件復(fù)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(shí)電量消耗會(huì)多一些，這需要靠增大待機(jī)冗余解決，但這對(duì)一個(gè)月只抄幾次的水氣表，這個(gè)問(wèn)題并不突出?！ ?/P>
圖四：無(wú)線自組網(wǎng)方式抄表
深圳市安美通科技有限公司研制的WMRNET無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)集中器和若干個(gè)模塊組成，見圖四。用戶的讀取數(shù)據(jù)的操作全部通過(guò)集中器完成，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中對(duì)用戶屏蔽了組網(wǎng)與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的工作，用戶可隨時(shí)查詢?cè)诰W(wǎng)的模塊和其狀況以及用集中器通過(guò)模塊讀取表的數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心和干預(yù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)所有維護(hù)工作均在后臺(tái)軟件完成。
類似ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，WMRNET無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式為自上而下自動(dòng)組網(wǎng)方式，同時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用健壯的網(wǎng)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用收發(fā)場(chǎng)強(qiáng)判決鏈路的質(zhì)量，從而決定組網(wǎng)的條件。網(wǎng)絡(luò)每個(gè)模塊都可以有多條路徑，一個(gè)模塊支持多個(gè)父模塊.任意模塊都可作為父模塊，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)選擇合理的路由路徑。
處于活動(dòng)狀態(tài)WMRNET無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)新的模塊處于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，在一定的時(shí)間WMRNET無(wú)線網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)識(shí)別模塊ID并加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)靜默狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的路由與模塊狀態(tài)處于凍結(jié)狀態(tài)，但用戶仍可以用集中器通過(guò)模塊讀取表的數(shù)據(jù)。
WMRNET無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持網(wǎng)絡(luò)靜默模式，通過(guò)集中器設(shè)置網(wǎng)絡(luò)靜默后，同一網(wǎng)絡(luò)的的集中器和全部模塊均不會(huì)主動(dòng)發(fā)射數(shù)據(jù)，用戶也可以隨時(shí)取消靜默狀態(tài)。利用功能網(wǎng)絡(luò)靜默功能，用戶可以分時(shí)激活網(wǎng)絡(luò)，這種方式可以用一個(gè)頻率讀取多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
無(wú)線頻道的劃分采用類似GSM網(wǎng)絡(luò)同樣的原理，見圖五，在兩個(gè)不同的地理區(qū)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(tái).
一個(gè)系統(tǒng)中可以有許多同信道WMRNET網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)頻譜分配被劃分為K個(gè)頻率復(fù)用的模式，即單位無(wú)線區(qū)群中WMRNET網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)，如圖五，其中K=4、7 、12等.允許同頻率重復(fù)使用的最小距離取決于許多因素，如網(wǎng)絡(luò)附近的同信道網(wǎng)絡(luò)數(shù)，地理地形類別，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊的作用范圍.K增加，頻率復(fù)用距離D也增加。增加了的頻率復(fù)用距離將減小同信道干擾發(fā)生的可能.
同樣原理,利用網(wǎng)絡(luò)靜默功能,也可以用一個(gè)頻率實(shí)現(xiàn)于時(shí)分復(fù)用,這樣就可以實(shí)現(xiàn)用一個(gè)頻率抄整個(gè)區(qū)域的若干個(gè)WMRNET網(wǎng)絡(luò).
頻率復(fù)用距離D由下式確定：
其中，K是圖三 中所示的頻率復(fù)用模式。則：
D=3.46R K=4
D=4.6R K=7
D=6.0R K=12
圖五：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻率復(fù)用模式
總結(jié)：
國(guó)家“十二五”規(guī)劃明確提出，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能家電、安全監(jiān)控、金融與服務(wù)業(yè)、國(guó)防軍事十大領(lǐng)域重點(diǎn)部署。據(jù)有關(guān)消息稱，其中僅僅智能電網(wǎng)總投資預(yù)計(jì)達(dá)2萬(wàn)億元，居十大領(lǐng)域之首，預(yù)計(jì)到2015年物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模2000億元。
深圳市安美通科技有限公司是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，所研發(fā)的低頻段的無(wú)線自組織網(wǎng)產(chǎn)品已成功運(yùn)用智能電網(wǎng)，無(wú)線水氣表和智能路燈的控制與節(jié)能等行業(yè)。我們相信隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)運(yùn)用的深度與廣度的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)將展現(xiàn)出更廣闊的前景。
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