智能燃气表传感网络平台研究

智能燃气表传感网络平台研究

陈曦

北京市燃气集团有限责任公司第一分公司北京100022

摘要：自20世纪80年代国内外智能燃气表问世以来，我国智能燃气表发展主要经历了IC卡膜式燃气表、远传燃气表、带附加装置的燃气表、智能燃气表(IC卡和远程控制)和物联网智能燃气表。文章通过燃气运营商传感网络需求分析，提出一种智能燃气表传感网络平台(由传感网络管理系统、智能网关组成)。该平台通过传感网络管理系统与燃气运营商管理平台通信，通过智能网关与智能燃气表通信。

关键词：智能燃气表；传感网络；平台

1引言

传感网络管理平台对智能燃气表传感网络云平台进行通信管理，决定其通信方式、通信信道、通信频率等内容，决定智能燃气表能够接收哪些控制命令，防止非法网络设备接入，防止非法的控制信息传输到智能燃气表给燃气用户造成危害，保证感知传感信息和控制传感信息的安全性和真实性。

2智能燃气表概述

智能燃气表由基表和智能燃气表控制器组成。基表是指智能燃气表中机械结构部分，通过燃气流动产生的动力，使内部薄膜腔充气、排气，进而推动字轮计数，达到计量目的。基表由外壳、内置阀门、字轮计数器、电池、薄膜腔等组成。智能燃气表控制器结构见图1，图1中的箭头方向代表数据或命令的传输方向。智能燃气表控制器是指智能燃气表中的电子控制部分，由微功耗单片机、电压管理模块、储存模块、声音报警模块、阀门控制模块、显示模块、采集计数模块、按钮、蓝牙从机模块组成。因此，智能燃气表具有精确计数、内置阀门自动处理、数据可靠储存、欠压与掉电处理、数据显示与声音提示、蓝牙数据传输等功能。

3传感网络分析

传感网络具有三种典型的功能：感知、传输和数据处理，对应着现代信息技术的三大基础技术：传感器技术、通信技术和计算机技术。无线传感网络系统主要包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。传感器节点即是信息的采集和发出者，也是信息的路由者。采集的数据通过多跳路由到达汇聚节点，汇聚节点借助互联网、移动网络、卫星等外部网络将整个监测区域内的数据传输至远程监控计算机进行集中处理。传感器网络涉及传感技术、通信技术和计算机技术，是多学科交叉研究的全新领域，在理论和工程层次上，许多关键技术亟待研究和突破。无线传感器网络涉及的关键技术如下：第一，网络拓扑控制。无线传感网络的拓扑结构可能因为多种因素随时改变，良好的网络拓扑结构能够提高路由协议和媒体访问控制协议的效率，有利于节省传感器节点能量，延长网络生存时间。第二，网络协议。由于无线传感网路应用的相关性，使得整个网络范围内需要路由协议选择最优的通信路径，无线传感网络的协议设计也很具挑战性。第三，时钟同步技术。时钟同步技术是无线传感网路的一项重要支撑技术，不仅要求精确性，还应考虑节能性、可扩展性、鲁棒性以及稳定性等要求。第四，数据融合技术。数据融合技术能够有效地减少网络传输中的冗余数据以节约能量，是无线传感网络的重要研究内容。第五，定位技术。对于无线传感网络的多数应用来说，没有位置信息的监测数据是没有价值的，因此必须研究新的机制与算法实现节点的自身定位。第六，应用技术。无线传感网络的应用是相关的，无线传感网络的程序设计语言、程序设计方法、软件开发环境和工具、软件测试工具等都是关键技术。

4智能燃气表传感网络平台

基于燃气运营商对智能燃气表传感网络需求分析，本文提出了一种智能燃气表传感网络平台结构，智能燃气表传感网络平台处于智能燃气表和管理平台之间。智能燃气表传感网络平台主要包括传感网络管理系统、智能网关、表端通信模块。

4.1传感网络管理系统

传感网络管理系统主要包括传感网络入网注册和注销管理、通信列表管理、链路及路由管理、网络管理、接口管理等。传感网络管理系统是感知信息和控制信息必须经由的路径，同时也能对传感网络进行注册管理和接入管理，具有传感节点状态检测与上报、网络状态检测与上报等功能，保障传感网络安全，保障信息在平台运行中的完整性、真实性、保密性、可用性、可控性，决定了通信的范围和对象。例如当有指令需要对智能燃气表进行管理时，需要审核指令发出者身份标志符(ID)在通信列表中是否存在，若不存在，则认为指令无效，不下发指令；若存在，则审核指令发出者身份标志符与需要管理的智能燃气表之间是否存在控制关系。若存在，则下发指令，若不存在，则认为指令无效，不下发。

4.2智能网关

智能网关安装于集中器中，可与智能燃气表表端通信模块通信，内部设有本地通信模块、通信协议转换模块、业务功能模块、安全管理模块、远程通信模块。表端通信模块与本地通信模块集成有相同的通信技术，能够将智能燃气表的感知信息上传给本地通信模块，通信协议转换模块将本地通信模块虚拟为远程通信模块能够识别的虚拟设备，实现本地通信模块与远程通信模块的通信。远程通信模块一般是指GPRS通信模块，能够通过通信网络与智能燃气表管理云平台通信。燃气用户或燃气运营商对表端的控制信息的下发是表端信息上传的逆过程。智能网关中信息的传输还需要业务功能模块和安全管理模块的支持。业务功能模块具有数据储存功能、费率管理功能(阶梯气价自动调整功能等)、故障指示功能等。安全管理模块能够实现燃气使用安全管理(上报燃气表表端异常燃气信息等)和信息安全管理(网络状态自检、数据加密、数据过滤等)。

4.3表端通信模块

表端通信模块是智能燃气表感知信息发送和用户控制信息接收的通信模块。表端通信技术的选择很重要，决定着智能燃气表管理及服务的效果。智能燃气表运用的通信技术包括有线通信技术、IC卡通信技术、手持机抄表、无线通信技术。文章简要介绍现阶段比较常用的几种无线通信技术。第一，GPRS技术。GPRS技术的优势在于燃气运营商不需要另外组网，能直接使用电信运营商建设好的公共网络来传输数据，网络结构简单，维护量小。但高达2A的最大工作电流足以抵消掉其拥有的所有优势，大电流使燃气表电气安全性变差，难以做到防爆，无法保证燃气用户燃气使用安全。第二，GFSK调制技术。采用GFSK调制技术的智能燃气表远程通信的网络结构一般为星形网络和MESH网状网络。为了降低燃气表的功耗，延长电池使用寿命，一般不采用MESH网状网络，而是采用中继器进行信号放大，组成星形网络。智能燃气表端的通信模块上装有GFSK调制解调器，将表端的数字信号调制为GFSK信号发送出去，经中继器将信号收集并放大后传送至集中器，集中器的通信模块上装有GFSK调制解调器和GPRS模块，利用GFSK调制解调器将接收到的GFSK信号解调处理，再通过GPRS模块将解调信号转换为GPRS信号并传输至基站，基站收到信息后进一步通过GPRS骨干网和Inter-net网络将信息传输至燃气公司，实现智能燃气表表端信息的上传。

5结束语

总而言之，智能燃气表传感网络平台行使好本职功能的重点在于表端通信方式的选择，只有根据业务需求，选择正确的、合适的本地通信技术，智能燃气表传感网络平台的效用才能最大化。但若将智能燃气表传感网络云平台加入到公有云或混合云平台中，则其信息运行的闭环将会被打破，可能造成信息泄露，埋下安全隐患，给燃气运营商和燃气用户造成损失。

参考文献

[1]金雷.意大利等欧洲国家智能燃气表大规模发展的现状和问题[J].城市燃气,2013,No.45804:37-42.

[2]邵泽华,魏小军.GPRS通信技术在智能燃气表的应用[J].煤气与热力,2016,v.36;No.29810:94-98.

[3]范卫萍,吴叶兰,陈红军,王芳,秦艳红.智能燃气表缴费系统设计[J].计算机测量与控制,2016,v.24;No.20801:328-330.

[4]邵泽华.LoRa通信技术在智能燃气表的应用[J].煤气与热力,2017,v.37;No.30202:39-42.