摘  要： 研究了以MSP430為控制器實(shí)現(xiàn)的無(wú)線燃?xì)饧到y(tǒng)。詳細(xì)說(shuō)明了燃?xì)獗?/a>終端、集抄器及GPRS通信模塊電路和軟件設(shè)計(jì)，提出了主動(dòng)偵聽和隨機(jī)數(shù)取值函數(shù)的隨機(jī)退避算法。
關(guān)鍵詞： 燃?xì)獗恚患鳎?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/無(wú)線集抄" title="無(wú)線集抄" target="_blank">無(wú)線集抄；退避算法

　智能型無(wú)線抄表系統(tǒng)又稱天然氣智能型無(wú)線集抄系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱燃?xì)饧到y(tǒng)），是智慧城市建設(shè)中新一代信息化、數(shù)字化、智能化儀器儀表新產(chǎn)品，要大力研究開發(fā)與推廣。燃?xì)饧到y(tǒng)是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式將小區(qū)用戶天然氣數(shù)值自動(dòng)上傳到天然氣總公司，替代傳統(tǒng)人工抄表方式，節(jié)省勞動(dòng)力，提高效率。它融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、無(wú)線寬帶網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧產(chǎn)業(yè)、智慧服務(wù)、智慧管理、智慧生活等為重要內(nèi)容的城市發(fā)展的新模式。實(shí)現(xiàn)住宅的燃?xì)庾詣?dòng)抄表、自動(dòng)計(jì)費(fèi)及智能化，已成為新型智能小區(qū)的必備條件。隨著住宅智能化的發(fā)展，抄表系統(tǒng)的應(yīng)用范圍開始在全國(guó)各大、中城市逐漸擴(kuò)大?！蛾P(guān)于建設(shè)智慧城市的決定（甬黨[2010]14號(hào)）》和《寧波市智慧城市發(fā)展總體規(guī)劃》文件指出，力爭(zhēng)到2020年寧波躋身于國(guó)際智慧城市的行列，所以無(wú)線燃?xì)饧到y(tǒng)應(yīng)用和研究尤為重要。
1 總體設(shè)計(jì)方案
　本系統(tǒng)包括燃?xì)獗砟K、集抄器、GPRS/GSM模塊和帶系統(tǒng)軟件的主站等部分，手持終端是系統(tǒng)的補(bǔ)充，在系統(tǒng)出現(xiàn)意外時(shí)進(jìn)行安裝調(diào)試、人工手持抄表或維修測(cè)試等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1所示。

　系統(tǒng)工作流程如下：正常情況下，燃?xì)獗矶〞r(shí)記錄燃?xì)馐褂昧坎⒈４嬗趦?nèi)存中，同時(shí)接收欠壓、緊急關(guān)閥、安全報(bào)警和機(jī)械故障等外部中斷；除以上工作外，負(fù)責(zé)定期把表數(shù)據(jù)上發(fā)給集抄器。集抄器抄取所有燃?xì)獗頂?shù)據(jù)，且負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)給GPRS/GSM模塊[2-3]（負(fù)責(zé)整個(gè)小區(qū)燃?xì)獗頂?shù)據(jù)量收集），最后由GPRS/GSM模塊通過(guò)GPRS無(wú)線方式上傳本小區(qū)所有表數(shù)據(jù)給天然氣公司。反之，天然氣公司可對(duì)某一個(gè)燃?xì)獗砘蚣鞑僮鳎热缣烊粴夤究赏ㄟ^(guò)GPRS/GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)命令，再由GPRS/GSM模塊中繼到燃?xì)獗砘蚣?。手持設(shè)備只能與燃?xì)獗砘蚣魍ㄐ?，一般只在安裝、調(diào)試、維修中使用。銀行可以讀取天然氣公司數(shù)據(jù)庫(kù)信息，對(duì)其中信息統(tǒng)計(jì)、結(jié)算，用戶通過(guò)網(wǎng)上或銀行付費(fèi)。系統(tǒng)通信具體流程如圖2所示。

無(wú)線收發(fā)功能、主控制器、閥門控制、LCD顯示、報(bào)警功能、欠壓檢測(cè)和存儲(chǔ)功能等。硬件原理圖如圖4所示。

　無(wú)線集抄器通過(guò)收發(fā)模塊接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，該方式無(wú)需敷設(shè)線路，而且維護(hù)、安裝方便。一般來(lái)說(shuō)，每棟居民樓安裝一個(gè)集抄器，負(fù)責(zé)自動(dòng)抄取本棟樓所有燃?xì)獗頂?shù)據(jù)，功能模塊圖如5所示。

　集抄器通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊與外界通信，一方面通過(guò)無(wú)線方式抄取本樓所有表數(shù)據(jù)；另一方面通過(guò)無(wú)線方式把表數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。集抄器抄取表數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于內(nèi)存中，主控制器通過(guò)讀/寫存儲(chǔ)器得到數(shù)據(jù)。有線接口是備用方式，如果無(wú)線收發(fā)模塊無(wú)法通信時(shí)，可以使用有線接口現(xiàn)場(chǎng)抄取表數(shù)據(jù)。
　GPRS/GSM模塊是連接集抄器與天然氣公司的樞紐，通過(guò)GPRS/GSM模塊，小區(qū)所有燃?xì)獗頂?shù)據(jù)被發(fā)送到天然氣公司數(shù)據(jù)庫(kù)中心存儲(chǔ)、分析、處理；同時(shí)，上位機(jī)指令通過(guò)GPRS/GSM模塊下發(fā)到集抄器或燃?xì)獗?。如圖6所示，GPRS/GSM模塊位于每個(gè)小區(qū)中，且只有一個(gè)，所有小區(qū)表數(shù)據(jù)通過(guò)每棟集抄器傳送到GPRS/GSM模塊，然后由它發(fā)送給天然氣公司。通信過(guò)程主要有以下兩點(diǎn)：（1）天然氣公司通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令到終端；（2）終端數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到天然氣公司。

　針對(duì)泛洪技術(shù)的缺點(diǎn)，本文提出了S-ALOHA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[4-5]，它有效克服了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的盲目性，通過(guò)隨機(jī)退避時(shí)間，能有效避免泛洪技術(shù)的隱藏和暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。在幀格式中，順序控制域表示不同信息的序列號(hào)以及同一信息的重發(fā)序列號(hào)，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)該標(biāo)志判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)信息。如果收到順序控制域與前一順序控制域相同，則不作任何處理；如果不相同則轉(zhuǎn)發(fā)（本機(jī)地址和目的地址不相同時(shí)）；當(dāng)目的地址為本機(jī)地址時(shí)，則進(jìn)入本機(jī)處理程序。如圖9所示，當(dāng)12號(hào)集抄器發(fā)送數(shù)據(jù)給總集中器時(shí)，10號(hào)和13號(hào)集抄器同時(shí)收到，兩者通過(guò)隨機(jī)退避信道競(jìng)爭(zhēng)，先后發(fā)送數(shù)據(jù)到8號(hào)集抄器，最后8號(hào)集抄器發(fā)送數(shù)據(jù)到總集中器。

　從圖10可知，隨機(jī)退避算法是指任何終端發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，必須根據(jù)算法退避一定的隨機(jī)時(shí)間。當(dāng)任何終端接收到信息后，必須等待給定的剩余時(shí)間才能執(zhí)行下一步命令。其中，剩余時(shí)間是指任何設(shè)備接收到信息時(shí)，只有等待一定時(shí)間后才開放信道。本信道接入?yún)f(xié)議除兩種算法外，隨機(jī)數(shù)N也比較重要。
隨機(jī)退避算法：算法中定義了一個(gè)隨機(jī)數(shù)取值函數(shù)Random（0，N）、最大隨機(jī)數(shù)N。MAX和MIN分別為退避計(jì)數(shù)器的最大值和最小值。隨機(jī)函數(shù)在最小值和最大值之間任意取值，取值概率相等。
本文對(duì)無(wú)線燃?xì)饧到y(tǒng)的燃?xì)獗斫K端、集抄器及GPRS通信模塊進(jìn)行電路和軟件設(shè)計(jì)，提出了主動(dòng)隨機(jī)退避算法。但由于時(shí)間和現(xiàn)有條件的限制，系統(tǒng)還有很多不足之處有待改進(jìn)：（1）網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)中繼延時(shí)性增加了系統(tǒng)不穩(wěn)定性，而且每一次中繼都會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，有效地優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問(wèn)題，縮短中繼時(shí)間需更深入研究；（2）集抄器路由協(xié)議有待更深入研究。
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