基于扩频阀控技术的无线远传燃气表抄表系统的开发

摘要：对燃气表抄表现状进行了分析，以扩频LORA通信为数据传输技术，以光电直读为读数采集技术，在膜式燃气表基础上设计与研发出了一种无线远传智能燃气表，给出了基于此类燃气表抄表系统的设计方案。实践表明，此种燃气表及其抄表系统的使用穿墙能力强、抗衰落、抗干扰、数据保密性高，可极大地提高燃气企业的抄表能力及其抄表率。

Abstract： The performance of the gas meter is analyzed. This paper uses Lora spread spectrum communication for data transmission technology， uses photoelectric direct reading for reading acquisition technology. A kind of wireless remote intelligent gas meter is designed and developed based on membrane gas meter. Practice shows that this gas meter and its meter reading system can make the ability of through the wall strong and can also make the ability of anti fading， anti interference， data confidentiality high. Thus gas meter reading capacity of gas enterprises and its meter reading rate can be greatly enhanced.

关键词：扩频LORA通信技术；扩频阀控技术燃气表；抄表系统；GPRS通信

Key words： spread spectrum LORA communication technology；spread spectrum valve control technology gas meter；meter reading system；GPRS communication

中图分类号：TE978；TP271 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）20-0068-04

0 引言

燃气表抄表一直是燃气企业的一项重要工作，燃气运营商将分散在用户端计量仪表的数据采集回企业，以便为后续的经营活动作出正确的决策。燃气表传统的抄表方式一般为人工抄表，由抄表人员挨家挨户入室抄取表具窗口读数，与上月数据对比计算出用量数后，依据单价结算出价格，再收取或催缴。由于抄表时间不统一，导致抄表周期长、准确率低（错抄、漏抄、估抄、关系抄、人情抄）、无法实现表具的阶梯计费等需求，更重要的是给一些胆大的不法分子提供了假冒抄表人员入室抢劫的有利时机，使用户的财产和生命安全得不到保障。为了解决此类问题，近几年，一些燃气企业不断推陈出新，研发出了无线远传燃气表[1-2]，并给出了基于此类燃气表的抄表系统。无线远传抄表系统主要由无线远传燃气表、小区管理机、管理中心及现场维护设备组成，系统中，无线远传燃气表通过短距离无线通信与小区管理机相连接，小区管理机通过利用GPRS无线通信与燃气公司后台管理系统通信，从而可使燃气公司通过网络浏览器实时监控下属各个无线远传表，了解其运行状况，并对其进行远程控制。本文给出了一种基于短距离扩频LORA通信技术的无线远传燃气表，并在此基础上给出了基于此类燃气表的抄表系统。由于扩频通信具有接收灵敏度高，传输距离远，抗干扰能力强等性能，因此，此类抄表系统的使用可以极大地提高燃气企业的抄表能力，并提升抄表率。

1 燃气表抄表现状分析

目前，燃气表广泛采用的抄表方式主要有预付费IC卡和智能表远程抄表系统[3]。

1.1 预付费IC卡表

预付费IC卡表从根本上改变了人们先消费后结算的消费理念，为行业主管部门提前回笼资金和针对用户恶意拖欠费用提供了有效的管理手段，但随着IC卡的实际应用，越来越多的问题不断涌现。目前，预付费IC卡表的主要问题体现在以下两个方面：

①预付费IC卡表需要IC卡作为充值载体，而目前IC卡的安全性存在一定风险，常用发生IC卡被解密或被破解的情况，给燃气公司带来经营风险。

②预付费IC卡表无远程数据传输途径，燃气公司不能及时抄收用气量及进行用量统计，无法准确统计输差及财务分析。同时，IC卡表存在恶意囤积用气量，无法解决价格调整；以及无法监控用户使用情况的弊端。

1.2 智能表远程抄表

基于预付费IC卡表的各种弊端，为有效解决及时准确的数据抄收及预付费与阶梯计价要求，智能表远程抄表系统作为最佳解决方案，其产品得到迅猛发展，并成为智能表未来发展趋势。从技术原理来分析，远传表产品主要有两大核心技术：读数采集技术与数据传输技术。

1.2.1 读数采集技术

读数采集技术即如何将普通皮膜表的机械读数转换成电子读数；目前智能表主要采用两种主流技术，两种技术均较为成熟，各有优缺点。

①脉冲计数技术。脉冲计数即在计量表具的计数器转动部件上安装脉冲传感器，对产生的脉冲信号进行累加和换算，产生表具电子读数。此种计数技术的优点在于结构简单、成本较低，易于生产。缺点是需24小时供电，其脉冲传感器需24小时供电，方能不间断采集与累计脉冲信号；在后备电源不足或断电的情况下产生脉冲数据完全丢失，造成抄表读数与机械读数不一致，需待来电后需重新入户校表，易和用户发生纠纷。除此以外，此种计数技术还容易产生二次累计误差，各种干扰（如强磁攻击）或磁钢干簧管性能劣化，易造成多计或少计脉冲。

②光电直读计数技术。光电直读是在表具内安装光电字轮位置传感器，将每一个字轮作为一个码盘，测量出字轮的绝对角度位置，直接辨识表具显示窗的字轮数字，从而准确地获得表具读数，无需二次累计计量转换。该方式表具端电子读数装置只在抄表时上电，抄完断电，功耗低，没有累计误差，不受停电、外磁场干扰的影响，抄表准确率达100%。此种计数技术的优点在于无需24小时不间断供电，只需抄表瞬间供电，完成读数转化；断电或欠压不会产生读数丢失。读数准确率高，无二次累积误差；抗干扰能力强，强磁或电脉冲对其无影响。缺点是此种计数技术结构复杂，成本较高。

1.2.2 数据传输技术

数据传输技术主要是指如何将电子读数有效可靠地远程传输到燃气公司管理中心。目前主要有三种传输技术方案：有线传输、短距微功率无线传输以及移动通信网络传输。

①有线传输。有线传输是采用M-BUS总线传输方式，进行数据传输。M-BUS总线采用无极性两线制，电源供给与数据传输均在两个线上完成。其优点是采用光电直读技术，读数转换准确率高；后期传输稳定性高，抄表成功率高。其缺点是工程施工工作量大，前期装修破坏较严重。

②短距微功率无线传输。短距微功率无线传输，是利用国家无委会许可的频率范围470MHz～510MHz、功率50mW的无线电进行数据传输，目前主要有两种方式：一种是FSK调信方式，采用FSK调信方式的无线表基本上接收灵敏度都较低，能达到-110dBm，其传输距离一般可达到1km，穿墙能力较低，在实际应用中，往往采取组网方式将区域内表具串在一起，来完成集中抄表。组网方式使表具间关联性较强，单点故障往往会影响整体抄表效果。另一种通信方式为扩频LORA通信方式，采用扩频通信技术表具，其接收灵敏度均可做到很高，可达-138dBm，其空旷地带传输距离可达3.5km，可穿越33层楼层。其优良的无线性能，使在实际应用中，可采用简单的点对点网络即可完成集中抄表。

③移动通信网络传输。利用移动通信运营商（移动、联通、电信）建设的2G网络，采用SMS或GPRS方式进行数据传输，其特点是移动通信网络信号覆盖范围广，通信成功率高；智能表与燃气公司管理中心形成点对点的通信网络，网络结构简单，表具间无关联性。

2 基于扩频阀控技术的燃气表无线远传抄表系统

2.1 基于扩频阀控技术的燃气表无线远传抄表系统总体设计方案

基于扩频阀控技术的燃气表无线远传抄表系统由扩频阀控无线表、小区管理机、后台管理中心及现场维护设备（平板电脑）组成，具备远程数据采集、阀门控制功能；系统可设置抄收时间，定时抄收户表数据，在中心按阶梯价格体系实现短周期非实时扣费，并可根据用户余额情况，实现远程阀门控制。其中小区管理机实现小区智能表管理、数据采集存储；可根据系统设定，定时抄收小区智能表数据，通过GPRS通道远程传输数据至中心[4]；平板电脑，现场操作与维护工具可实现对小区管理机操作，包括提取燃气表抄表数据和运行状态，也可以设置各种参数。对燃气表点对点操作，读取表读数、状态或设置各种参数。该系统的总体设计方案如图1所示。

2.2 基于扩频阀控技术的无线远传燃气表

扩频阀控无线表采用扩频LORA通信技术，实现高接收灵敏度，可高达-138dBm，传输距离远，穿墙能力强、抗干扰能力强等性能，使现场通信的覆盖范围及数据传输稳定性均得到大幅提升。表具平时处于接收状态，可实时响应系统的抄表与阀门控制指令，表具采用休眠监听模式，实现节能，采用4节碱性电池供电，可使用1年以上。

2.2.1 基于扩频阀控技术的无线远传燃气表的主要功能

①采用光电直读或脉冲计数方式实现读数采集；②采用扩频LORA通信技术，频率与功率均可设置；③表具定时或状态发生变化时主动上传，主动上传周期及频度可设置；④双向通信功能，表具采用休眠监听工作模式，外部设备需要与其通信时，主动唤醒表具后，可进行双向通信；⑤可设置结算日与调价日，结算日/调价日到，表具主动保存当前数据，并主动上传，可保存近12个月结算日数据及近1次调价数据；⑥远程阀门控制；状态监控，可对阀门状况、读数情况等进行监控，发现异常，记录并反馈异常情况。

2.2.2 基于扩频阀控技术的无线远传燃气表的主要技术参数

基于扩频阀控技术的无线远传燃气表的主要设计参数如表1所示。

2.2.3 基于扩频阀控技术的无线远传燃气表的特色优势

①采用扩频LORA通信技术，前向纠错 （FEC可达4/8），抗同频干扰、抗衰落、抗多径干扰能力强（噪声容限SNR可达-20dB），多重编码技术确保数据保密性高；②接收灵敏度高（可达-138dBm）、传输距离远，空旷地带可达3.5km，穿墙能力强，楼层内跨越33层以上稳定通信；③无线频率470～510MHz，频率可调，发射功率在10～50mW可调。

2.3 基于扩频阀控技术的燃气表无线远传抄表系统后台主站管理系统

基于扩频阀控技术的燃气表无线远传抄表系统后台主站管理系统是基于IE浏览器开发的燃气公司B/S抄表及预付费管理系统。系统具有用户信息管理、网络配置、远程抄表、手持器抄表、抄表数据审核、开关阀控制、换表、调价、预收费及月终结算等功能。

2.3.1 系统结构

管理系统由燃气业务服务器与远程通讯服务器共同构成（如图1所示），其中燃气业务服务器由数据库、Web服务子系统、业务监控子系统、接口服务子系统以及抄表和收费管理终端构成。远程通讯服务器与小区管理机之间采用成熟的移动GPRS网络进行通讯。小区管理机和表具间采用扩频LORA无线通讯网络进行通讯。

2.3.2 系统模块及主要功能

抄表管理中心系统以JAVA语言作为开发工具，以SQL Server 2005作为数据库，以短信/GPRS为通讯手段；拥有系统管理、基础信息管理、用户信息管理、远程控制管理、业务管理、收费管理、系统查询和统计报表等8大模块；具有远程抄表、阶梯计费、阀门控制、收费、远程充值、定时调价等6大核心功能（如图2所示）。

系统除系统管理、用户基本信息管理及权限管控等基础功能外的6大核心功能详细介绍如下：

①远程抄表。系统既支持通过抄表管理中心系统进行对用户家中表具进行实时抄表，同时，对于物联表及有线表、无线表，系统也支持通过手持抄表器到用户小区现场进行远程抄表，并支持抄表数据上下载功能。燃气公司可以通过抄表实时监控小区设备、表具，以及用户用气异常状态。系统抄回的用户表具信息只能看，不能随意修改――在月度抄表数据审核时，如果经入户确认用户抄表数据与用户表具实际计量不服，则在经过系统管理员权限授权情况下，方能对抄表数据进行修改。②阶梯计价。系统作为抄表系统，具备行业领先的预付费管理功能。既支持非阶梯计价，也支持阶梯计价。对于纯抄表燃气公司，不提供该功能。③阀门控制。阀门控制是预付费管理相关功能之一。系统既支持自动根据配置的余额透支额关系进行阀门控制，也支持人工方式进行开关阀处理。对于纯抄表燃气公司，不提供该功能。④收费。收费是预付费管理相关功能之一。系统既支持通过营业厅进行预收费，也支持通过燃气公司已建收费系统或银行进行收费。对于纯抄表燃气公司，不提供该功能。⑤远程充值。远程充值是预付费管理相关功能之一。系统在收到用户交付后，会自动将钱存入用户燃气公司账户中，同时，对于预付费表具，系统还支持将用户当前交费金额自动远程充值到用户表具中。对于纯抄表或进行中心预付费管理的燃气公司，不提供该功能。⑥定时调价。系统支持实时或定时调价。定时调价是燃气公司广泛使用的功能，管理人员在调价前需要将新资费及生效时间预置到系统，系统会在新资费生效时自动发起抄表和启用新资费，并将调价前抄表数据提取回来进行调价前结算。同时，对于仅将本系统作为抄表的燃气公司，系统还会自动将调价前结算数据传递给收费系统进行计费、收费。

2.4 系统运行数据采集效果及分析

为了检验以扩频LORA通信为数据传输技术的无线远传燃气表抄表系统的运行效果，本文选择了承德市新世嘉小区作为测试小区。该小区是以小高层为主的纯住宅小区，小区的两侧环山，通信条件较差。测试对象选择比较偏僻的楼栋23、28、30，这几栋楼的布表率大约为39%，通过对小区管理机操作，在线抄表成功率可达100%。由此可见，以扩频LORA通信为数据传输技术的此种抄表系统可有效的实现抗衰落、抗干扰，从而极大地提高燃气企业的抄表能力及其抄表率。（图3）

3 结语

基于扩频阀控技术的无线远传燃气表抄表系统以扩频LORA通信为数据传输技术，此通讯方式具有传输距离远，穿墙能力强、抗衰落、抗干扰、数据保密性高等性能。系统中，小区管理机实现对小区无线远传表管理、数据采集存储，并根据管理中心系统设定，定时抄收小区无线远传表的数据，通过GPRS通道传输数据至管理中心。这种方式构建的无线远传抄表系统具有充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本、设备安装方便、维护简单等优点。利用此种燃气表及其抄表系统可有效的解决燃气公司收费困难、欠费纠纷等问题，从而全面提高燃气管理的信息化、数字化、自动化水平。

参考文献：

[1]将益峰，胡琳娜.基于GPRS的无线远程抄表系统的研究与实现[J].网络通讯与安全，2007：948-950.

[2]刘洋，任工昌，苗新强，等.GPRS远程抄表系统的设计与实现[J].机械设计与制造，2011（03）：248-250.

[3]亮.无线远传燃气表抄表方案浅谈[J].信息系统工程，2015（10）：16-17.

[4]基于GSM/GPRS通信的抄表系统[J].电力系统自动化，2004，

28（17）：94-96.