无线远传燃气表中网络自维护技术的必要性分析

摘要：介绍了传统无线远传燃气表调试、维护复杂的现状，分析了无线远传燃气表在抄表网络中的特点。提出无线远传燃气表应用网络自动维护技术的必要性，及其技术实现，促使无线抄表系统实现免调试，免维护，即装即用的效果。

关键词：无线远传燃气表；网络自维护；

无线远传燃气表通过无线网络与抄表设备，构成无线抄表系统，相对于有线远传抄表系统，无线燃气表无需布线，几乎不受地理环境限制，具有更广泛的适应性和扩展性。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燃气表的正常运行而建立了自己的网络维护部门，不但投入了大量人力，而且维护工程师的技术水平和经验决定着无线远传网络系统能否得到有效的维护。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的。因此，尝试建立一种仪表无线网络系统的维护规范，让无线远传表工作系统化、规范化、科学化，尽可能减小对维护人员技术和经验的依赖，是十分有必要的。

无线远传燃气表作为无线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：无线远传燃气表是用电池供电，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，延长电池使用寿命。

3仪表射频网络无中心：无线网络中没有严格的控制中心，所有无线表地位平等，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。

4自组织：网络的布设和展开无需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。

5节点数量众多：对于一个管理区域的无线燃气表来说，往往有成百上千块表。节点分布非常密集，利用节点之间相对关联来保证系统的容错性和抗毁性。

传统的无线远传表，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，或者安装其它设备时，原有的无线网络会改变，需要技术人员现场设置调试。这一系列的日常运营问题解决起来非常繁琐。另外，无线信号强度会受到周围建筑物、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；当网络中的设备故障时，其信号覆盖范围内成为信号盲区，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以上现实问题。

燃气表是计量器具，是收费的依据，与居民利益息息相关，因此表具的可靠运行，网络状态良好是关键。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。对无线燃气表来讲，影响其正常工作的因素可分为外部因素和内部因素，外部因素有微波炉、电冰箱，电磁炉等家电设备以及潮湿、油烟等环境因素；内部因素有气表本身元器件的老化，软件故障和参数设置等。诸多因素使得暴露或潜伏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故障，还要排除潜在的隐患，做好故障的预防工作。怎样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核心解决的问题。

现在住宅建筑的复杂性，环境变化的频繁，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，系统创新的采用了无线网络动态自维护技术。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，暂时退出运行网络；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有了动态拓扑组织功能。系统周期性的自动维护网络，能够随网络中设备的增减、信号强弱的变化，及时搜索到最佳通讯路径，实现设备的免调试、免维护、即装即用、快速组网的目的。

传统的无线远传气表是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。具备网络自维护的网络系统各个气表是协同工作，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。这种方式的好处是，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。通过自动维护技术，各项参数调整到最佳状态，网络服务质量自然大大改善。

网络自维护的实现原理是各设备设定唯一的通信识别码，集中器周期的发送网络探听包，侦听无线信道活动状态，当网络空闲时，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讯链表中，并将自身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。收到组网命令的采集器开始对无线气表维护网络路径。采集器首先采用a信道发起唤醒电磁波，然后切换到b信道发送0级广播。采集器成功发送唤醒电磁波和0级广播后，进入c信道数据接收状态。被唤醒的节点马上切换到b信道的接收状态，收到N（0≤N≤9）级广播的节点定为（N+1）级节点。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，并且自身级别在本次组网中不再改变。被定级的节点马上切换到c信道，并向上级节点发送表数据。上级节点收到后，自动向上上一级节点转发，直至发送到0级节点。节点上传过自身数据后，切换到a信道发送唤醒电磁波，唤醒下一级节点，并切换到b信道发送N级广播组网（N为自身等级）。发送过N级广播后，节点切换到c信道开始转发下级节点的表数据。0级节点发送的0级广播中，设定超时时间，该超时时间也会被其它级别的广播转发，作用是告诉全网的节点，什么时候进入睡眠。组网过程以此逐级唤醒下级直至达到此次网络维护完毕。采集器更新管理范围内表具此次的组网链表。

图1 无线远传燃气表抄表系统结构图

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讯链表，各设备将会形成相互间的通讯链路网，从而自动组建成多路径的、交织的通讯网络。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。

无线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，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。

The analysis of network automatical maintenance technique in wireless AMR gas meter

Abstract: This article introduced the complex condition of wireless gas meter during meter debugging and maintenance, and analyzed the characteristics of wireless gas meter in meter reading network. And put forward the necessity and technological realization of applying network automatical maintenance, then make wireless meter reading system free debugging and maintenance.

Main words: Wireless AMR Gas Meter; Internet automatical maintenance

作者简介：费战波（1966-   ），男，河南郑州人，高级工程师，硕士，从事电子测量与仪表技术研究十余年。

张文辉（1986-），男，河南许昌人，工程师，学士，从事燃气表、无线远传燃气表抄表的研究和开发工作。