基于 Wifi的無(wú)線遠(yuǎn)傳煤氣表

胡 超 王賢禮 洪煥杰 裘 君

(浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 寧波 315100)

1 引 言

在現(xiàn)今社會(huì)生活中，燃?xì)獗碛脩魯?shù)量龐大且分布廣。傳統(tǒng)的人工抄表方式不僅使工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，還存在抄重和錯(cuò)抄、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性較差等問(wèn)題[1,2]，給計(jì)量管理單位造成人力上的浪費(fèi)，同時(shí)也給用戶增添了很多不便。有線抄表方式存在著線路布局復(fù)雜，不利于施工和后期維護(hù)等問(wèn)題[3]。由于當(dāng)前的燃?xì)庥?jì)量采用一戶一表方式[4]，這就決定了抄表系統(tǒng)具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，二是需要鋪設(shè)很廣的通信網(wǎng)絡(luò)。因此，需要一種方便、準(zhǔn)確和及時(shí)的遠(yuǎn)程燃?xì)獬硐到y(tǒng)[5]。

無(wú)線通信技術(shù)有著安裝簡(jiǎn)單、方便拓展及傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)[6]，其在燃?xì)獬碇械膽?yīng)用能夠有效地對(duì)燃?xì)庥脩暨M(jìn)行監(jiān)控，也為實(shí)現(xiàn)基于不同季節(jié)、不同時(shí)段、不同質(zhì)量的智能化抄表和計(jì)價(jià)系統(tǒng)提供可靠經(jīng)濟(jì)的選擇。因此，研發(fā)一種無(wú)線自動(dòng)抄表技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈹?shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確及高效的采集和傳輸，是人們關(guān)注的熱點(diǎn)[7,8]。一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)先后采用自動(dòng)抄表系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工抄表方式。1986年，美國(guó)成立了自動(dòng)抄表技術(shù)協(xié)會(huì)(AMRA)。1988年，美國(guó) ITRON 公司推出具有實(shí)時(shí)雙向信息傳輸和分布式數(shù)據(jù)共享等技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)，標(biāo)志著自動(dòng)化抄表系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。而后，歐洲也成立自動(dòng)抄表技術(shù)協(xié)會(huì)，并制定了無(wú)線抄表系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。日本研制了一種基于電話線集中采集用戶數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，這種方式在技術(shù)上有一定的優(yōu)勢(shì)。但到目前為止，國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的自動(dòng)抄表系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了無(wú)線抄表系統(tǒng)的多樣化[9]。國(guó)內(nèi)從 20世紀(jì) 90年代初開(kāi)始自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研發(fā)，經(jīng)過(guò) 20多年發(fā)展，有線抄表方式已達(dá)到了批量使用[10]。近幾年，隨著電子和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)打破了國(guó)外的壟斷。尤其是近幾年，隨著智慧城市、智能家居等技術(shù)的普及，我國(guó)沿海發(fā)達(dá)地區(qū)和一些內(nèi)陸大、中城市，均在不同程度上建設(shè)了智能化示范小區(qū)，而自動(dòng)抄表作為智能化的一個(gè)環(huán)節(jié)，技術(shù)也日趨成熟。

近年來(lái)，Wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展極其迅速，在手機(jī)、電腦和智能家居上得到廣泛應(yīng)用?；?Wifi無(wú)線通信技術(shù)的無(wú)線抄表系統(tǒng)，利用Wifi與 Internet(因特網(wǎng))相結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可將物理數(shù)據(jù)信息從檢測(cè)裝置傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器管理系統(tǒng)。Wifi無(wú)線通信主要有兩種形式。一種是總線(如 Modbus 總線、RS485總線)結(jié)合 Wifi的上、下層結(jié)構(gòu)[11]。其中，下層表端不具有 WiFi無(wú)線通信功能，數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸?shù)?Wifi無(wú)線終端；上層 Wifi網(wǎng)絡(luò)與 Internet 連接，接收下層數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)。另一種是表端集成 WiFi通信模塊，通過(guò) Wifi直接將數(shù)據(jù)上傳遠(yuǎn)程服務(wù)器[12]。相比于 GPRS、Zigbee 等形式，通過(guò) WiFi具有直讀無(wú)線組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，備受國(guó)內(nèi)外專業(yè)人員的關(guān)注[13,14]。Chandra 等[15]提出了一種基于樹(shù)莓派微機(jī)和 WiFi適配器的自動(dòng)電能表。Hlaing 等[16]研發(fā)了使用 ESP8266Wifi模塊的單相數(shù)字電能計(jì)，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。王科等[12]設(shè)計(jì)了用MK30N512VMDl00微控制器和 BCM8000WiFi模塊的智能電表，實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)。李先茂和費(fèi)敏銳[11]提出智能小區(qū)的 Wifi自動(dòng)抄表系統(tǒng)，上層采用 Wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與 Intemet 網(wǎng)相連接，下層則采用 Wifi無(wú)線網(wǎng)與 Modbus 現(xiàn)場(chǎng)總線(或 485總線)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。楊順和李明明[14]設(shè)計(jì)了基于ARM 和 Wifi技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，采用RS485總線模式讓電表與采集器進(jìn)行通信，而采集器則利用 Wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接 Inernet 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與主站的通信。顯然 Wifi通信技術(shù)是發(fā)展方向，但上述的 Wifi通信技術(shù)主要應(yīng)用于電表的數(shù)據(jù)傳送，且一般通過(guò)底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)與 Internet 分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)形式較為復(fù)雜，不利于維護(hù)。而煤氣表因安全原因不能使用有線供電的方式，必須采用電池供電。其中，要求更換一次電池能運(yùn)行兩年及以上時(shí)間，所以電路功耗需極低，如采用 6V 供電電池，其平均電流應(yīng)為幾十微安(μA)以下。此外，由于 Wifi通信有一定功耗，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方案提出了更高的要求[17]。

本文提出一種新型的基于 Wifi無(wú)線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)直讀燃?xì)獗沓矸桨?。首先，采用MSP430F4152微控制器作為主控芯片[18]，其中通過(guò)干簧管傳感器采集燃?xì)庥昧啃畔ⅲM(jìn)而微處理器實(shí)時(shí)控制 MT7681Wifi模塊并通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)路由器和遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接；其次，按照需要，在特定的時(shí)間將燃?xì)獗頂?shù)據(jù)直接上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器；最后，在 Web 服務(wù)器端實(shí)時(shí)顯示用戶燃?xì)馐褂们闆r。從而，達(dá)到煤氣表自動(dòng)讀數(shù)、自動(dòng)計(jì)價(jià)和網(wǎng)上在線查詢的目標(biāo)[19]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)與電路系統(tǒng)

圖1(a)為煤氣表模塊，相應(yīng)電路組成如圖1(b)所示。模塊主控芯片選用具有超低功耗的MSP430F4152單片機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)信息的處理，并協(xié)調(diào)各個(gè)子模塊的工作。該單片機(jī)接口能夠滿足系統(tǒng)功能需求，同時(shí)內(nèi)置 LCD 液晶驅(qū)動(dòng)單元，可省掉外置液晶驅(qū)動(dòng)芯片，減少開(kāi)銷和降低功耗。

外圍模塊包括計(jì)量、Wifi無(wú)線通信、LCD顯示、IC 智能卡、閥控、電源及電壓檢測(cè)等模塊。其中，計(jì)量模塊利用磁感應(yīng)干簧管，當(dāng)煤氣氣體驅(qū)動(dòng)機(jī)械渦輪旋轉(zhuǎn)，煤氣表的機(jī)械式滾輪指示器會(huì)產(chǎn)生變化，顯示用氣量。同時(shí)，渦輪不同位置上裝有兩個(gè)磁體，每轉(zhuǎn)一圈，裝在轉(zhuǎn)盤旁的干簧管會(huì)吸合兩次，產(chǎn)生兩個(gè)電脈沖，實(shí)現(xiàn)兩次電計(jì)數(shù)，單片機(jī)根據(jù)其計(jì)數(shù)值完成用氣量計(jì)量。

Wifi無(wú)線通信模塊把用戶的信息和數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。LCD 顯示模塊顯示用氣量、電池電量及各種運(yùn)行狀態(tài)。IC 智能卡模塊與表端進(jìn)行預(yù)付費(fèi)、加費(fèi)操作和數(shù)據(jù)交換。閥控模塊由專門設(shè)計(jì)的橋式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉閥門。電源采用電池供電，通過(guò)電源管理模塊轉(zhuǎn)換后給控制器和 Wifi模塊提供 3.3V 電壓，而提供給IC 卡和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 5V 電壓。在各模塊選擇時(shí)，需要特別考慮功耗問(wèn)題，如運(yùn)行方式和參數(shù)選擇等。

2.2 Wifi模塊連接電路

WiFi(無(wú)線保真)是短距離的無(wú)線通信 WLAN的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[20]，它包含了 IEEE802.11的一系列無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議。該技術(shù)采用 2.4GHz 的 ISM 頻段，具有傳輸速度高、組網(wǎng)靈活、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，能方便地與現(xiàn)有以太網(wǎng)整合，只需要安裝一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)就可以滿足指定區(qū)域信號(hào)的覆蓋，建網(wǎng)成本低。

本文系統(tǒng)采用 MT7681Wifi模塊，基于UART 接口標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口到 Wifi的轉(zhuǎn)換。其中，MT7681無(wú)線通信模塊與 CPU 之間采用 UART 通信方式，與 Web 服務(wù)器之間采用 TCP/IP(802.11b/g)通信協(xié)議。MT7681模塊的工作電壓為 3.3V，可以在 AP(Access Point)和 STA(Station)兩種模式下工作。當(dāng)在 STA 模式工作時(shí)，工作方式與普通Wifi一樣。當(dāng)在 AP 模式工作時(shí)，該模塊不需要額外的 AP，就可以與其他的 Wifi模塊建立連接。圖2為 MT7681Wifi模塊連接圖。其中，圖2(a)為 MT7681的實(shí)物圖，圖2(b)為微控制器與MT7681模塊連接示意圖。MT7681模塊上電前應(yīng)確保 16RXD 引腳為低電平，待啟動(dòng)系統(tǒng)后才可拉高。因此，通信電路設(shè)計(jì)時(shí)，在 MT7681模塊的 RXD 引腳和微控制器的 UART_TX 引腳間需添加一個(gè)延時(shí)電路。本文采用 74LVC3157芯片：當(dāng)芯片輸入引腳(S 腳)為低電平時(shí)，芯片的A 腳與 B0腳相連；當(dāng)輸入為高電平時(shí)，A 腳與 B1腳相連。系統(tǒng)上電后，MT7681模塊的 RXD 引腳首先連接 B0(地)，經(jīng)過(guò) τ＝R2×C1延時(shí)后切換到與 B1(UART_TX)連接。圖2(b)中 UART_RX和 UART_TX 分別是微控制器串口的接收和發(fā)送引腳。

由于 Wifi模塊的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表端設(shè)備的其他模塊，為了避免 Wifi工作時(shí)電流激增對(duì)其他模塊造成影響，因此對(duì) Wifi模塊進(jìn)行單獨(dú)供電。

圖2 MT7681Wifi模塊連接圖Fig.2MT7681Wifimodule connections

3 軟件設(shè)計(jì)

Wifi系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。Wifi通信單元軟件設(shè)計(jì)主要由微控制器串口驅(qū)動(dòng) WiFi通信、Wifi模塊的初始化和數(shù)據(jù)收發(fā)控制 3個(gè)部分組成。該單元通過(guò)無(wú)線路由傳給遠(yuǎn)端服務(wù)器，進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖3 Wifi系統(tǒng)工作流程圖Fig.3Working procedure of Wifisystem

3.1 微控制器串口驅(qū)動(dòng) Wifi通信

MSP430F4152微控制器通過(guò)串口方式控制Wifi模塊。通信前必須設(shè)置好串口的工作波特率。其中，MT7681支持 57.6kbps、115.2kbps、230.4kbps。在滿足微控制器和 MT7681同一波特率的情況下，模塊能正常接受單片機(jī)發(fā)送的指令或者數(shù)據(jù)，相應(yīng)協(xié)議如圖4所示。

圖4 串口報(bào)文幀格式Fig.4Frame format of the serial port data

其中，L 為用戶數(shù)據(jù)區(qū)字段的長(zhǎng)度；C 為控制字段信息，表示 D 字段是控制命令還是數(shù)據(jù)，如果是控制命令，D 字段也應(yīng)跟上相對(duì)應(yīng)的控制幀信息。所有的命令或數(shù)據(jù)均以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送給Wifi模塊，模塊接收到數(shù)據(jù)幀之后，做出相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分析的操作。

3.2 模塊初始化

模塊的初始化通過(guò)微控制器引腳 P6.4(見(jiàn)圖2)控制模塊的 RST 引腳進(jìn)行。當(dāng)燃?xì)獗硇枰貑?Wifi模塊時(shí)，微控制器給 P6.4引腳一個(gè)拉低脈沖信號(hào)，即可重新啟動(dòng) Wifi模塊，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置以及 TCP/IP 連接參數(shù)設(shè)置。其中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置包括 Wifi的SSID、密碼及安全認(rèn)證模式等。TCP/IP 連接參數(shù)設(shè)置包括源端口和目標(biāo)服務(wù)器端口號(hào)、源地址和目標(biāo)服務(wù)器地址、幀最大長(zhǎng)度以及 TCP 連接超時(shí)時(shí)間等。這些數(shù)據(jù)可使用 AT 指令通過(guò)串口設(shè)置到模塊中。初始化流程如圖5所示。

考慮到用戶無(wú)線路由器 SSID 和密碼的不定性，系統(tǒng)可采用 3種方案將無(wú)線路由器 SSID、密碼以及安全認(rèn)證模式等傳給 MT7681無(wú)線模塊：(1)將 SSID、密碼以及安全認(rèn)證模式等信息編寫到燃?xì)獗碓O(shè)備的程序中。當(dāng)燃?xì)獗韱?dòng)之后，微控制器將相關(guān)信息傳遞給 MT7681模塊。這種方式的缺點(diǎn)是當(dāng)用戶的無(wú)線路由器更改 SSID 或密碼后，必須重新下載燃?xì)獗碓O(shè)備程序。(2)通過(guò)智能手機(jī)安裝 IoT Manager v0.96軟件將無(wú)線路由器 SSID、密碼及安全認(rèn)證等信息傳遞給 MT7681模塊。即通過(guò)智能手機(jī)加入無(wú)線燃?xì)獗碓O(shè)備所在的無(wú)線局域網(wǎng)，手機(jī)通過(guò)無(wú)線路由器與燃?xì)獗碓O(shè)備進(jìn)行通信。IoT Manager v0.96界面如圖6所示。(3)通過(guò)上位機(jī)將 Wifi的SSID、密碼以及安全認(rèn)證模式等信息以串口的形式傳遞給 MT7681Wifi無(wú)線模塊，如圖7所示。

圖5 Wifi模塊初始化流程圖Fig.5Initiation procedure of the Wifimodule

3.3 數(shù)據(jù)收發(fā)控制

智能燃?xì)獗淼?Wifi通信鏈路層采用 TCP/IP協(xié)議。數(shù)據(jù)收發(fā)控制流程如圖8所示，燃?xì)獗砼c服務(wù)器每次在傳輸數(shù)據(jù)之前都需要先檢查兩者之間是否保持著連接。服務(wù)器端與 Wifi模塊設(shè)置成一致的監(jiān)聽(tīng)端口，當(dāng)服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)到 Wifi模塊申請(qǐng)連接時(shí)，執(zhí)行 TCP 握手完成連接。燃?xì)獗淼倪\(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，封裝成 Wifi模塊能識(shí)別的數(shù)據(jù)幀形式發(fā)送至 Wifi模塊，Wifi模塊收到后分析解包后將數(shù)據(jù)打包以無(wú)線通信幀格式傳送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。如圖9所示，幀格式包含由4個(gè)字節(jié)組成的固定長(zhǎng)度的報(bào)文頭，具體包括：表示用戶數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度 L；一個(gè)字節(jié)的控制域C，控制報(bào)文的傳輸方向和數(shù)據(jù)類型；一個(gè)字節(jié)地址域 A 表示燃?xì)獗斫K端的地址；用戶數(shù)據(jù)表示用戶傳遞的數(shù)據(jù)；一個(gè)字節(jié)的 CRC 校驗(yàn)；一個(gè)字節(jié)的結(jié)束字符。

圖6 IOT Manager 界面Fig.6Interface for IOT Manager

圖7 上位機(jī)界面Fig.7Interface for upper machine

圖8 Wifi通信收發(fā)流程圖Fig.8Procedure for Wificommunication

圖9 Wifi無(wú)線通信幀格式Fig.9Frame format of the Wificommunication

3.4 Web 服務(wù)器

本文選擇阿里云服務(wù)器，IP 地址115.28.145.220。服務(wù)器接收煤氣數(shù)據(jù)并處理顯示相關(guān)信息，具體包括 TCP 服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

TCP 服務(wù)器：主要從煤氣表接收煤氣使用信息，它總是監(jiān)聽(tīng)一個(gè)特殊的端口。其中，服務(wù)器的 IP 地址和特定端口號(hào)必須寫入 Wifi模塊。當(dāng)Wifi模塊上電后，立即連接服務(wù)器；而服務(wù)器接收煤氣數(shù)據(jù)并保存于數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器設(shè)計(jì)：使用 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)將煤氣表數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，包括用戶表和數(shù)據(jù)表兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表；而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器則從該數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計(jì)：主要與用戶進(jìn)行交互，用于管理者登錄等操作，獲取所有用戶數(shù)據(jù)及各用戶相關(guān)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。可以查看開(kāi)放的個(gè)人基本信息，還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)查看用戶燃?xì)馐褂们闆r，查詢歷史使用情況，圖10為用戶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示。

圖10 Web 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面Fig.10Real time display interface for web data

4 測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 Wifi連接服務(wù)器成功率

為降低功耗，系統(tǒng)對(duì) Wifi模塊采用實(shí)時(shí)控制方式。只有當(dāng)燃?xì)獗硐蜻h(yuǎn)程服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)時(shí)，才對(duì) Wifi模塊供電，而當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后立即對(duì) Wifi模塊斷電。因此，每次 Wifi上電啟動(dòng)后，都要主動(dòng)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。通過(guò) 200次對(duì) Wifi模塊進(jìn)行上電、斷電操作，讓模塊反復(fù)重啟，結(jié)果顯示 Wifi模塊都能連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器。本研究也對(duì)不同時(shí)間段的通信進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)路由器保持暢通的情況下，煤氣表Wifi模塊均能有效連接。

4.2 數(shù)據(jù)上傳時(shí)間

為準(zhǔn)確測(cè)量 Wifi模塊啟動(dòng)時(shí)間和上傳一幀數(shù)據(jù)耗費(fèi)的時(shí)間，在 Wifi模塊和服務(wù)器之間建立一種反饋機(jī)制。當(dāng) Wifi模塊完成初始化并連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器之后，遠(yuǎn)程服務(wù)器會(huì)回傳“Connected”消息給 Wifi模塊；當(dāng)煤氣表收到回傳信息后，才開(kāi)始向遠(yuǎn)程服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò) 50次的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，Wifi模塊初始化并連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器的時(shí)間大約是 6.4s。

當(dāng)遠(yuǎn)程服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，識(shí)別到結(jié)束標(biāo)志并完成校驗(yàn)，會(huì)反饋一個(gè)“Received”消息，設(shè)備收到該反饋消息后會(huì)主動(dòng)對(duì) Wifi模塊斷電。其中，數(shù)據(jù)上傳時(shí)間為設(shè)備開(kāi)始上傳數(shù)據(jù)至收到服務(wù)器反饋消息的時(shí)間。通過(guò)微控制器的計(jì)數(shù)器測(cè)得 50次上傳數(shù)據(jù)時(shí)間如圖11所示。從圖11可以估算出 Wifi上傳一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間大約是 0.115s。

圖11 Wifi通信上傳一幀數(shù)據(jù)時(shí)間Fig.11The duration for Wifitransmitting one frame data

4.3 通信測(cè)試

用戶燃?xì)庑畔⒛芊癯晒鬏數(shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，也決定了無(wú)線遠(yuǎn)傳燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)是否可行。通過(guò)將 Apache 服務(wù)器移植到阿里云服務(wù)器(IP 地址：115.28.145.220)上，并啟用 1、2、3、4、5端口號(hào)為燃?xì)鈹?shù)據(jù)傳輸端口，對(duì)用戶 3表端設(shè)備上傳到該服務(wù)器的燃?xì)鈹?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖12所示。其中，圖12中最后一次上傳的數(shù)據(jù)為 49.90，表示當(dāng)前用戶 3的表端內(nèi)剩余燃?xì)庵禐?49.90m3。

通過(guò) Web 客戶端登錄燃?xì)夤芾砥脚_(tái)查看用戶 3的信息。從圖13可以看出，該用戶當(dāng)前剩余燃?xì)庵低瑯邮?49.90m3，此數(shù)值與用戶 3表端

(圖14)的顯示一致。同時(shí)，通過(guò) Web 管理系統(tǒng)還可查看相關(guān)數(shù)據(jù)。如點(diǎn)擊圖13中“user 3”按鈕，可以看到用戶 3的燃?xì)鈿v史數(shù)據(jù)。圖15所示為用戶 3最近 10次的煤氣使用數(shù)據(jù)。上述例子說(shuō)明，通過(guò)本文設(shè)計(jì)的智能燃?xì)獗砟軌虺晒Σ?zhǔn)確地傳輸用戶燃?xì)馐褂脭?shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器上，并能實(shí)現(xiàn)即時(shí)的網(wǎng)上查詢。

圖12 燃?xì)鈹?shù)據(jù)上傳服務(wù)器Fig.12Gas data being transmitted to web server

圖13 Web 管理系統(tǒng)燃?xì)庥脩麸@示Fig.13User data in the Web management system

圖14 用戶 3表端設(shè)備Fig.14User 3gas meter readings

圖15 用戶 3燃?xì)鈿v史信息Fig.15History gas data for user 3

5 結(jié)論與進(jìn)一步的工作

利用 Wifi無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗頂?shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的傳遞方式具有簡(jiǎn)單、快速和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)選用 MSP430F4152微控制器作為主控芯片，使用干簧管傳感器采集燃?xì)庥昧?，?shí)現(xiàn)檢測(cè)、計(jì)費(fèi)和顯示等功能。通過(guò) MT7681WiFi模塊實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接，將燃?xì)庥昧啃畔⒅苯由蟼鞯竭h(yuǎn)程服務(wù)器，在 Web 服務(wù)器端實(shí)時(shí)顯示用戶煤氣使用情況。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本設(shè)計(jì)是可行的。

進(jìn)一步的工作需要開(kāi)展大批量煤氣表節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行測(cè)試，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，避免出現(xiàn)斷網(wǎng)等問(wèn)題。在模塊功耗方面也需要進(jìn)一步優(yōu)化，特別是 Wifi模塊和液晶顯示模塊的選擇及運(yùn)行方式還要不斷地深入改進(jìn)，從而形成更有社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的煤氣表產(chǎn)品。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]任俊芳.自動(dòng)抄表技術(shù)發(fā)展 [J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息,2010(31): 99.

[2]戚佳金,劉曉勝,喻言,等.基于電力線通信的遠(yuǎn)程電能計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電子器件,2006,29(4): 1118-1122.

[3]劉穎,王再英,彭倩,等.基于 ZigBee 和 GPRS 的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,20(30): 8058-8062.

[4]張亞利,牛幼飛.淺談燃?xì)庥?jì)量的管理對(duì)策 [J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(11): 21-21.

[5]周鑫,朱向東,于秀波.ZigBee 遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].自動(dòng)化儀表,2013,34(3): 31-33,37.

[6]Liu YC,Liu YB.Design of intelligent monitoring system based on embedded web [C]//IFITA’09International Forum on Information Technology and Applications,2009: 521-525.

[7]趙志平.淺談燃?xì)獗磉h(yuǎn)程無(wú)線抄表和控制系統(tǒng)的應(yīng)用 [J].數(shù)字通信世界,2016(12): 61-62.

[8]楊宏業(yè),張躍,呂芳.自動(dòng)抄表系統(tǒng)中通信方案的現(xiàn)狀與展望 [J].電測(cè)與儀表,2001,38(8): 8-11.

[9]譚志強(qiáng),黃懿.自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展 [J].電測(cè)與儀表,2009,46(1): 1-5.

[10]劉述鋼.微功率無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方法及其應(yīng)用研究 [D].長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué),2011.

[11]李先茂,費(fèi)敏銳.面向智能小區(qū)的 Wifi自動(dòng)抄表系統(tǒng)研究 [J].自動(dòng)化儀表,2012,33(9): 49-52.

[12]王科,童嶸,甘建平.Wifi通信在智能電表中的應(yīng)用研究 [J].電測(cè)與儀表,2013,50(9): 64-68.

[13]盛仲飆.WIfi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及安全性研究 [J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(16): 1-3.

[14]楊順,李明明.基于 ARM 和 Wifi技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(11): 3068-3071.

[15]Chandra PA,Vamsi GM,Manoj YS,et al.Automated energy meter using Wifienabled raspberry Pi [C]//IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics,Information Communication and Technology,2016: 1992-1994.

[16]Hlaing W,Thepphaeng S,Nontaboot V,et al.Implementation of WiFi-based single phase smart meter for Internet of Things(IoT) [C]//2017International Electrical Engineering Congress(iEECON),2017: 1-4.

[17]范衛(wèi)萍,吳葉蘭,陳紅軍,等.智能燃?xì)獗砝U費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2016,24(1): 328-330.

[18]Texas Instruments.MSP430F41X2Datasheet [OL].[2018-03-20].http://pdf1.alldatasheetcn.com/datasheet-pdf/view/424704/TI/MSP430F41X2.html.

[19]王賢禮.無(wú)線遠(yuǎn)程智能燃?xì)獗硌芯?[D].寧波: 寧波大學(xué),2017.

[20]呂方興.對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)兼容性的分析 [J].科技信息,2012(7): 194.