GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表及其系統(tǒng)介紹

費戰(zhàn)波 潘明輝

新天科技股份有限公司

居民戶用燃氣表已經(jīng)向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)燃氣表及其系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的商業(yè)模式，能夠向燃氣公司提供整體的運營管理服務(wù)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)遠程抄表，而且能實現(xiàn)燃氣公司的綜合業(yè)務(wù)管理；不但解決了燃氣公司管理中的諸多問題，而且提升了燃氣表公司信息化管理的水平，甚至通過增值

服務(wù)減輕了燃氣公司的業(yè)務(wù)管理。物聯(lián)網(wǎng)燃氣表集遲滯采樣技術(shù)、多地址存儲技術(shù)、自動降耗技術(shù)為一體，是目前也是今后智能燃氣表集抄系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞  物聯(lián)網(wǎng) 智能 網(wǎng)絡(luò) 燃氣表

一、 引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things) 顧名思義，就是物物相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等信息承載體，使所有能夠被獨立尋址的物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

1999年，MIT Auto-ID中心Ashton教授在研究RFID時最早提出“萬物皆可通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”，闡明了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義。隨著社會的進步和科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍發(fā)生了巨大的變化，覆蓋范圍也有了較大的拓展，不再是僅僅局限于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”一來，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，寫入了“政府工作報告”，之后物聯(lián)網(wǎng)受到了全社會極大的關(guān)注。

物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、能源監(jiān)控、環(huán)境保護、智能家居、智能醫(yī)療、樓宇照明、政府工作等領(lǐng)域，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)可以提高人們的生活質(zhì)量，可以帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能夠促進社會的和諧發(fā)展。

二、 物聯(lián)網(wǎng)燃氣表介紹

業(yè)界一般將物聯(lián)網(wǎng)分為三個層次：用來感知數(shù)據(jù)的感知層、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層及功能強大的應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)燃氣表是智能燃氣表在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，是智能燃氣表的發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)燃氣表具有無線數(shù)據(jù)傳輸能力（實時、雙向）、網(wǎng)絡(luò)化的特點。

目前市場上主流的無線遠傳燃氣表（俗稱“小無線”）和市場上最新出現(xiàn)的GSM燃氣表(俗稱“大無線”)都統(tǒng)稱為物聯(lián)網(wǎng)燃氣表。無線遠傳燃氣表和GSM燃氣表的應(yīng)用層功能是沒有任何區(qū)別的，實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)功能一模一樣，如人機對話、短信支付、短信提醒、銀行代收費等，所不同的是中層傳輸網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)別。

無線遠傳燃氣表和手機燃氣表的中層傳輸網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)別，可打個比喻來說明：一個單位辦理上網(wǎng)手續(xù)，要申請寬帶，單位里有三十臺電腦，申請一條寬帶，然后分別裝幾個無線路由器，三十臺電腦即可共用，這種情況就是無線遠傳表，而申請三十條寬帶，分別用在三十臺電腦上，這種情況就是GSM燃氣表。無線遠傳燃氣表由于其成本低、費用小、組網(wǎng)靈活、電池耐用等特點已經(jīng)被廣泛推廣，筆者在這里重點介紹基于GSM移動網(wǎng)絡(luò)通訊的燃氣表及其系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

 

圖1

     GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)燃氣表、GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心三部分組成。其中物聯(lián)網(wǎng)燃氣表采用電池供電、內(nèi)置移動通訊模塊，計量模塊，控制模塊等；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心主要功能由配置管理、客戶資料管理、收費管理、統(tǒng)計分析、告警管理等。從系統(tǒng)構(gòu)架可以看到，GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、安裝調(diào)試簡單，建設(shè)周期短，覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點，今后會是智能燃氣表的發(fā)展方向。

三、 GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表主要功能

1、 遠程預(yù)付費功能，實現(xiàn)階梯氣價。

傳統(tǒng)的預(yù)付費是以IC卡為載體與智能表進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)先付費后用氣，業(yè)內(nèi)稱之為本地預(yù)付費。2014年03月21日發(fā)改委發(fā)布《階梯氣價指導(dǎo)意見》，要求2015年底所有通氣城市建立階梯氣價制度。意見指出階梯氣價將分為三檔，各檔氣量價格實行超額累進加價，第一、二、三檔氣價原則上按1:1.2:1.5左右的比價安排。這就引發(fā)了一系列的問題：以購買量結(jié)算的智能燃氣表如何實現(xiàn)階梯？以購買金額結(jié)算的燃氣表何時進行調(diào)價？如何實現(xiàn)調(diào)價？物聯(lián)網(wǎng)燃氣表解決了以上問題。燃氣表只需定期傳送使用量，調(diào)價、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析全部交給燃氣物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心處理，高效、便捷。同時，數(shù)據(jù)中心會將新的氣價變更通知以短信型式提前告知用戶，提醒用戶避免因調(diào)價導(dǎo)致的余額不足關(guān)閥事件的發(fā)生。

2、漏氣報警功能，保障用戶安全。

燃氣的使用一直以來是民生安全不可忽視的問題，每年全國各地都有因燃氣泄露而發(fā)生事故。燃氣膠管老化、超過使用年限、膠管兩端沒有管卡固定等均會造成燃氣泄露，因此燃氣發(fā)生泄露時，第一時間切斷氣源至關(guān)重要。具有漏氣報警功能的GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表，外置燃氣報警器，當(dāng)發(fā)生燃氣泄露時，報警器發(fā)出聲音報警，同時燃氣表關(guān)閉閥門，避免燃氣的繼續(xù)泄露。同時，燃氣表記錄關(guān)閥原因，并將異常上傳至數(shù)據(jù)中心，客戶服務(wù)中心通過告警系統(tǒng)發(fā)送短信反饋客戶：尊敬的XXX用戶，您家的燃氣可能存在泄露，燃氣表已經(jīng)關(guān)閥，請及時處理，回家時請先開窗通風(fēng)，不要開燈，避免明火。同時，可在第一時間派專業(yè)人員到現(xiàn)場進行處理，保證用戶的使用安全。

3、過流保護功能，避免氣表損壞，同時又保障用戶安全。

眾所周知，膜式燃氣表采用獨立的計量機芯設(shè)計，一般包括膜片、膜盒、單向旋轉(zhuǎn)閥分配系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)組成。傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動速度取決于燃氣表的流量，流量的大小又取決于管網(wǎng)的壓力。過大的管網(wǎng)壓力波動會導(dǎo)致氣表的急停急啟，進一步使傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不流暢，存在傳動系統(tǒng)卡軸的現(xiàn)象發(fā)生。過流檢測功能，能夠自動檢測通過燃氣表的流量，當(dāng)氣表的使用流量超出設(shè)定值，燃氣表便關(guān)閉閥門，保護氣表。此外，一旦發(fā)生燃氣表過流，有可能存在脫管的現(xiàn)象，及時的關(guān)閉閥門也可保障用戶的安全。

4、防磁干擾、磁攻擊功能，計量更準確。

智能燃氣表普遍將干簧管、霍爾元件、維根傳感器等磁敏元件加裝在字輪上用于計量，容易受磁性物質(zhì)的干擾。更何況磁傳動結(jié)構(gòu)的燃氣表在傳動原理上也受磁性物質(zhì)的影響。采用雙傳感器計量方式，將傳感器分布在字輪的兩側(cè)，可有效檢測磁性物質(zhì)的存在。燃氣表在檢測到磁干擾、磁攻擊后會記錄此次事件，并將相關(guān)信息傳遞至數(shù)據(jù)中心，通知專業(yè)人員進行現(xiàn)場排查。

5、其他功能。

燃氣表內(nèi)置時鐘模塊，可記錄燃氣的使用時段及使用情況，可及時提供準確的使用數(shù)

據(jù)供管理中心分析，管理中心與其他系統(tǒng)結(jié)合便可以實現(xiàn)更多的服務(wù)功能；同時管理中心支持對用戶的短信提醒功能，欠費提醒功能、調(diào)價提醒、充值成功提醒、電量不足短信提醒、

異常信息、自定義短信等。

四、關(guān)鍵技術(shù)

1、遲滯采樣技術(shù)—解決機械數(shù)值和電子數(shù)值不對應(yīng)的問題

    燃氣表計量的準確性取決于采用傳感器性能的好壞，市場上普遍采用磁敏開關(guān)器件用于計量。但凡開關(guān)器件在打開或關(guān)閉的瞬間會產(chǎn)生抖動，磁性物質(zhì)處于臨界狀態(tài)時磁敏器件的開關(guān)性能開始變的不穩(wěn)定。采取類似“遲滯比較器”的原理，設(shè)計遲滯采樣技術(shù)，把磁敏元件（采樣傳感器）做成特殊的遲滯器，便可解決此問題。例如，當(dāng)磁鐵需靠近磁敏元件至5mm時，磁敏元件才吸合；當(dāng)磁鐵離開磁敏元件至8mm時，磁敏元件才斷開，有了這種準確數(shù)據(jù)化的臨界點界定手段，即使在抖動情況下，采樣器也只計量有效信號，不會發(fā)生亂計數(shù)、多計數(shù)的問題。

2、提高電池使用壽命的技術(shù)

   電源是一切電子模塊正常工作的根本保證，GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表內(nèi)置的通訊模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時瞬時電流達1A以上，系統(tǒng)待機狀態(tài)功耗在2~3毫安，而模塊的工作電壓普遍在又3.3V左右，因此普通的3.6V鋰亞電池或堿性干電池?zé)o法保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作。為解決此問題，燃氣表曾經(jīng)采用市電供電的方式?？紤]到安全問題《CJ/T112-2008 IC卡膜式燃氣表》規(guī)定禁止使用交流電供電的IC卡燃氣表。很顯然，智能燃氣表的供電直接關(guān)系到燃氣表的安全問題，電池供電仍將是首選。

根據(jù)電化學(xué)老化反應(yīng)規(guī)律，每升高10℃，物品的化學(xué)反應(yīng)速率增加1倍。按照室溫20攝氏度存放360天可以推斷出在高溫70℃條件下存放11天是等效的，采用此方式可以有效評估電池的自放電性能，從而選擇高性能的電池。采用高性能鋰電池+HLC的方式可將電池的使用壽命大大提升，同時保證電池能夠釋放大電流，符合GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的設(shè)計要求。

3、基于時間窗口的定時喚醒技術(shù)

   GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表系統(tǒng)平時處于休眠狀態(tài)，電流只有幾個微安，但GPRS模塊在待機時有幾個毫安，而GPRS模塊在瞬間通訊時電流可達到1A以上。因此，在確保電池使用壽命的同時，也必須保證數(shù)據(jù)傳遞的暢通性。采用基于時間窗口的定時喚醒技術(shù)如圖2，可以使系統(tǒng)的綜合功耗大大降低，有效提高電池使用壽命。

 

圖2

4、兩線制閥門到位檢測技術(shù)

燃氣表的閥門普遍采用內(nèi)置的電機閥，如螺桿閥、截至式閥門等，一般由伸縮橡膠閥門、關(guān)閥彈簧、齒條桿、到位開關(guān)、離合機構(gòu)、減速電機等部件組成。從其結(jié)構(gòu)可以分析，閥門到位后會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)，而堵轉(zhuǎn)電流是非常大的，會造成電池不必要的能量損耗。兩線制到位檢測控制技術(shù)，能夠根據(jù)閥門的驅(qū)動電流，自動檢測閥門是否到位，能夠在最短時間內(nèi)切斷動閥電流，節(jié)省電池功耗。其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，在IC卡智能表領(lǐng)域曾廣泛應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的首選。

5、全密封技術(shù)

燃氣表的使用環(huán)境容易受油煙、潮氣影響，而電子器件的天敵正是這些惡劣的環(huán)境因素，更何況GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表大部分使用SIM卡卡座，受油煙的影響更容易出現(xiàn)接觸不良，導(dǎo)致氣表無法正常工作。設(shè)計一種斜插式電路板防護倉，對SIM卡進行二重密封，電路板進行密封膠密封，可解決油煙問題，延長燃氣表的使用壽命。

四、 結(jié)束語

新天科技從事智能燃氣表的研究已經(jīng)有十余年的歷史，在燃氣表行業(yè)積累了豐富的經(jīng)驗，比如延長電池使用壽命的全新的電池解決方案，泡在水中可工作的防水防潮工藝設(shè)計等，因此在物聯(lián)網(wǎng)燃氣表領(lǐng)域已率先將基于無線自動路由技術(shù)的燃氣表廣泛推廣。“成為世界智能表行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者”是新天的使命，相信在新天科技及廣大智能表廠家的共同努力下，GSM物聯(lián)網(wǎng)燃氣表定會為智慧城市做出積極的貢獻。

GSM IOT gas meter and the introduction of the system

Abstract
Household gas meter already to the intelligent, digital, network oriented direction, the Internet of things and its system of gas meter has changed the traditional business model , provided the overall operation and management services to the Gas Co, it not only realizes the remote meter reading, comprehensive business management; but also solves the problems in the management of

the Gas Co, and reduces business management by added services.The Internet of things of gas meter set hysteresis sampling technology, multi address storage technology, automatic saving technology as a whole, is the development direction of the present and the future of intelligent gas meter reading system.

Keywords   Internet of things intelligent network gas meter

作者簡介

作者簡介：費戰(zhàn)波（1966-   ），男，河南鄭州人，高級工程師，碩士，從事電子測量與儀表技術(shù)研究十余年。

潘明輝 （1983—  ），男，河南鄭州人，電氣自動化及儀表工程師，本科，從事智能表及其自動化抄表系統(tǒng)的研發(fā)，2013年一種M-BUS無源直讀燃氣表抄表系統(tǒng)榮獲河南省科技進步獎。