无线远传燃气表网络动态自维护技术

作者:费战波 张文辉 来源:安全管理网 点击:  评论: 更新日期:2016年09月05日

 

1 概述
无线远传燃气表通过无线网络与抄表设备,构成无线远传抄表系统。相对于有线远传抄表系统,无线远传抄表系统中各设备(包括集中器、采集器、无线远传燃气表)之间无须布线,几乎不受地理环境限制,具有更广泛的适应性和扩展性。无线远传抄表系统总体投入成本低,其在数据报抄、数据统计分析和计费等方面都具优势。
随着信息化进程的发展,越来越多的燃气企业为了无线远传燃气表的正常运行建立了自己的网络维护部,虽然投入了大量人力,但是维护工程师的技术水平和经验决定了无线远传网络系统是否能得到有效的维护。无线远传网络系统是以无线通信技术为主要实现手段的现代化管理模式,本身的维护方式却是手工方式。因此,建立一种仪表无线网络系统的维护规范,让无线远传燃气表工作系统化、规范化、科学化,尽可能减少对维护人员技术和经验的依赖,是十分必要的。
2 传统无线网络系统的基本特点
无线远传燃气表作为无线远传抄表系统中的一个节点,其应用的无线射频技术具有以下特点。
①硬件资源有限:节点由于受到自身体积和功耗的限制,其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多,这一点决定了在节点操作系统设计中,协议层次不能太复杂。
②能量有限:无线远传燃气表使用电池供电,能量有限是其一大特点,因此无线网络算法要尽量降低计算复杂度和通信数据量,以节约能量,从而延长电池使用寿命。
3 网络动态自维护的必要性
传统的无线远传燃气表,安装调试复杂,需要调整信号强度,选择合适的位置,设置大量的参数,才能调试成功。如果系统在使用过程中加装表具、换表,或者安装其他设备时,原有的无线网络会发生改变,需要技术人员现场设置调试,解决诸如此类非常繁琐的日常运营问题。另外,无线信号强度会受周围建筑物、电器、温湿度等因素的影响而不断变化。传统的无线远传燃气表通过加大信号发射功率或增加中继器以维持网络正常运行。当网络中的设备发生故障时,其信号覆盖范围成为信号盲区,这既浪费资源,又不能保证网络的快速恢复。因此需要一种能够自动维护网络的技术来解决这些问题。
燃气表是计量器具,是收费的依据,与居民利益息息相关,而网络状态良好是表具可靠运行的关键。无线远传燃气表从安装使用开始就受到各种各样环境因素的影响。对无线远传燃气表而言,影响其正常工作的因素可分为外部因素和内部因素:外部因素是指微波炉、电冰箱、电磁炉等家电设备以及潮湿、油烟等环境因素;内部因素是指燃气表本身元器件的老化,软件故障和参数设置等。诸多因素使得已知和未知的故障伴随着无线远传燃气表的运行。基础无线网络维护工作不仅需要排除已发生故障,还要排除潜在的隐患,做好故障预防工作。如何减少人力投入进行网络维护,达到网络自动维护的目的,是无线远传燃气表要解决的核心问题。
现在住宅建筑结构复杂,环境变化频繁,为适应未知的、时变的网络环境,实现网络的自动维护、最大限度降低故障设备的影响区域,系统应创新地采用无线网络动态自维护技术。网络是一个动态的网络,节点可以随处移动,一个节点可能会由于电池能量耗尽或其他故障,暂时退出运行网络。一个新节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些因素都会使网络的拓扑结构随时发生变化进而影响整个无线远传抄表系统的稳定性,因此网络应具有动态拓扑组织功能即网络的动态自维护功能。系统周期性地自动维护网络,能够随网络中设备的增减、信号强弱的变化,及时搜索到最佳通信路径,实现设备的免调试、免维护、即装即用、快速组网。
4 网络动态自维护的技术实现
传统的无线远传燃气表依靠提高单表发射功率实现远距离的传输,系统安装表具越多网络负载越大,网络越不稳定。具备动态自维护的网络系统各个燃气表协同工作,系统安装的表具越多,网络路径越多,网络越健壮,而后通过中继路由实现远程传输。这种方式的优点是减少了表具的功耗,增强了网络的稳定性,表具多路径传输增强了可靠性。通过自维护技术,各项参数调整到最佳状态.网络质量得到改善。
无线远传抄表系统的组成架构是“无线远传燃气表®采集器®集中器®管理中心”(见图1),通信方式采用半双工通信。在无线远传抄表系统中,网络动态自维护分为两个层次,首先是集中器与采集器之间的网络维护,其次是采集器与无线远传燃气表之间的网络维护。网络动态自维护的实现原理是各设备设定唯一的通信识别码,集中器周期地发送网络侦听包,侦听无线信道活动状态。当网络空闲时(即无线远传抄表网络系统中无数据信息传递时),集中器以广播形式发起网络导航包,用于收集网络中的设备信息,集中器信号范围内的采集器将网络导航包解码后,提取出信号源的通信识别码、传输路径、中继级数等信息更新到自身的通信链表中,并将自身唯一的通信识别码和信号强度等状态信息附加到网络导航包中回传给集中器,并刷新集中器与采集器间的通信链表。
 
采集器完成与集中器之间的通信网络维护后开始对无线燃气表进行网络维护。采集器首先采用a信道向无线燃气表发起唤醒电磁波,用于唤醒睡眠状态的无线燃气表,然后切换到b信道向无线燃气表发送0级广播,用于组织无线燃气表通信路径。采集器成功发送唤醒电磁波和0级广播后,切换到c信道进入数据接收状态,准备接收0级无线燃气表回传的网络数据信息。无线燃气表节点被唤醒后立刻切换到b信道进入接收状态,当接收到0级广播组网命令后,则定义本级的无线燃气表节点为0级无线燃气表节点,并存储自身级别和上级节点地址(每个节点只存储一个上级节点地址,且自身级别在本次组网中不再改变)。被定级后的0级无线燃气表节点马上切换到c信道,并向上级(采集器)发送网络数据信息。0级无线燃气表节点上传过网络数据信息后,切换到a信道向下一级无线燃气表节点发送唤醒电磁波,用来唤醒下一级无线燃气表节点,而后切换到b信道发送l级广播组网命令。0级无线燃气表节点发送过1级广播组网命令后,切换到c信道开始接收l级无线燃气表节点上传的网络数据信息,进而将1级节点的网络数据信息转发到采集器。1级燃气表节点上传过网络数据信息后,切换到a信道向下一级燃气表节点发送唤醒电磁波,用来唤醒下一级无线燃气表节点,而后切换到b信道发送2级广播组网,组织下级的网络,以此逐级类推直至组织N(0≤N≤9)级燃气表节点,完成采集器与无线燃气表间的网络维护,采集器刷新此次的组网链表,并上传组网链表到集中器,完成全网的自维护工作。另外,采集器发送的0级广播组网命令中,设定超时时间,该超时时间也会被其他级别的无线燃气表节点逐级广播转发,作用是告诉全网的无线燃气表节点,什么时候进入休眠状态,保证无线燃气表的低功耗状态。
集中器在上次网络维护完毕后,等到网络空闲时仍以广播形式发起网络导航包传递给周围的采集器,如此循环下去,网络中的设备(采集器、无线远传燃气表)将会不断收到携带周围网络结构的导航包,并不断刷新自身的通信链表,各设备将会形成相互间的通信链路网,从而自动组建成多路径、交织的通信网络。在正常运行的状态下,设置集中器的网络维护时段对路径维护,达到网络自维护的目的。
5 动态自维护网络系统的特点
①无中心:无线网络中没有严格的控制中心,所有无线燃气表地位平等,是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有较强的抗毁性。
②自组织:无线网络的布设和展开无须依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
③节点数量众多:对于一个管理区域的无线燃气表来说,往往有成百上千只。节点分布非常密集,利用节点之间相对关联来保证系统的冗错性和抗毁性。
6 结语
无线远传燃气表促进了智能远程管理系统的发展,从根本上改变了燃气系统的管理模式,极大地提高了管理效率和降低了运营成本,突出了节能环保的主题。智能抄表系统的构建与当今普及的GPRS网络相结合,使网络动态自维护技术得以实现,以较少的投入建立远程能源监测与管理,保证供能有序、供需平衡,具有重要的实用价值和现实意义。
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