470 MHz频段燃气无线抄表系统的研发

上海燃气(集团)有限公司 金美华

燃气抄表是燃气行业管理和收费的一个重要环节。长期以来，国内一直采用人工抄表，劳动强度大，准确性和及时性都得不到可靠的保障，随着民用住宅安保功能的提升和人们隐秘性意识的提高，对燃气公司入户抄表带来很大困难。

近几年来，通过上海燃气(集团)公司的不断试点和推广，无线抄表新技术已被证明能够较好地解决入户难的矛盾，同时大大提高了工作效率。

目前，无线抄表系统尚无国家和行业相关标准。上海燃气(集团)有限公司在完成470 MHz频段燃气无线抄表系统研发的基础上，率先制定了国内第一份《燃气无线抄表系统技术规范》，以此来统一、规范今后的产品。该技术规范不仅是市场准入的技术门槛，而且是各家产品互通互容的技术标准，对国内同行业具有借鉴和指导意义。

该技术规范已被批准为上海市地方标准《燃气无线抄表系统技术规范》(DB31/T 500—2010)。

1 无线频段的选择

近年来，各种用户计量表自动抄表的案例在国外屡见不鲜。如电力线载波抄表技术，在国内外发展已经基本成熟，发达国家的部分地区已经开始使用电力线载波抄表。但燃气抄表采用电力线载波方式抄表的方案显然是行不通的，因为通过电力公司转发燃气表读数不方便管理，因而国内外燃气抄表研究的重点转向了无线抄表的方案。

国内外各燃气公司为提高抄表率、降低入户扰民的频率，对集中抄表系统进行了各种研究和尝试。国内燃气公司从 1999年就开始了远程集抄的尝试，先后使用过单干簧管远传煤气表、双干簧管远传煤气表、直读式远传煤气表、485型采集器、CANBUS采集器、M-BUS集中器、便携式抄表器等集中抄表设备和系统。经过近几年的推广和应用，无线抄表技术和普及率都有了很大的发展。然而，需要注意的是，参与燃气无线抄表系统市场的厂家开发能力参差不齐，所提供的产品品种繁多，每家都有各自定义的通信规约，互不开放、互不兼容，没有统一的标准平台可供使用；各厂商只能根据特定的产品进行针对性的工程方案设计，耗时耗力，而不能对产品成套化安装；设计定型后必须使用同厂商、同类产品进行替换，无法使用其他厂商的同类产品进行替代，使后期的使用和维护极为不便；各厂商采用不同的通信规约，无法统一，不但增加抄表的采集、维护成本，同时，多种多样的数据格式，也给后续帐务平台的处理带来了诸多不便，并由此引发了一系列的问题，给行业管理部门带来诸多的困难和挑战。

国家无线电管理委员会规定470~510 MHz频段为民用无线电计量仪表使用频段。基于国家无线电管理委员会 470 MHz频段标准，尽快开发出470~510 MHz频段的无线抄表系统。在开发和测试的基础上修订现有相关技术规范，尽早补充和完善无线抄表系统的技术规范，使各家供货商的产品可以互换，便于管理和降低成本。目前国内在470 MHz频段无线抄表系统还未见报道，国外也无同类产品，因此，470 MHz频段无线抄表系统的研发在国内尚属先进。随着行业技术标准的不断成熟规范、管理水平的不断提高，国家相关部门对抄表设备监管力度、市场引导等不断加强，将抄表系统及相关配套产品纳入重点计量器具范围，建立市场准入制度也将是必然。

2 通信协议的规范

为了使不同厂家生产的抄表设备具有互通和互换性，制定了《燃气无线抄表系统技术规范》，该规范包括系统架构、空中通信接口、通信协议和数据传输格式等内容，具有很强的应用指导性。

2.1 系统架构

考虑到各种可能的现场环境，燃气无线抄表系统宜采用下述两种系统架构之一来构建系统，具体如图1所示。

图1 系统架构

系统架构1适合于环境不规则场所。工作方式：无线采集模块平时等待中继器的命令，一旦收到命令后，采集燃气表的数据发送给中继器，集中器汇聚中继器的数据，最终汇聚到手持机。这种架构的最简形式是缺省中继器和集中器，这时相当于一个星型无线网络，即以手持机为中心对应n个无线采集模块。

系统架构2适合于环境规则场所。比如高层住宅楼的上下层之间整齐排列，这相当于一个线型无线网络，节点之间以相邻接力的形式传播数据。

说明：系统架构框图中手持抄表器和无线采集模块在《燃气无线抄表系统技术规范》中被统一定义为无线抄表器和燃气表无线通信装置。

2.2 空中通信接口

燃气表无线通信装置大都采用现成的无线芯片集成，而各种芯片采用的数据格式不能统一，这就造成即使是同样的无线频点和通信波特率也不能正确通信的问题，因此必须规范空中通信接口，主要包括无线信道的物理参数及数据帧格式。

无线信道的物理参数包括：波特率、编码方式、调制方式、频偏等。这些参数的确定是在综合权衡电池节能及无线传输距离基础上而确定的。例如波特率越高，传输所需时间就越短，电池耗能就越小；但波特率越高无线传输距离就越近。在无线发送与接收之间的物理参数匹配情况下，还必须满足前导码数据格式的一致，如表1所示。

表1 前导码数据格式

2.3 数据传输协议

数据传输协议规范无线抄表器和燃气表无线通信装置之间的数据交换和应答机制。以帧为单位进行数据传输，每帧数据的总长度不大于256个字节。间隙接收周期为3秒，包括睡眠和接收时间。燃气无线抄表系统在MAC层中采用了如下的数据帧结构：

表2 数据帧格式

表3 数据帧字段中文说明

根据以上的数据帧格式，一个典型的点对点抄表过程如图2所示。

无线抄表器发送抄表唤醒命令，唤醒燃气表无线通信装置，燃气表无线通信装置被唤醒后处于等待命令状态，无线抄表器发送抄表命令抄写用户数据，同时，启动定时器来接收燃气表无线通信装置的数据信息。当燃气表无线通信装置接收到抄表命令后，进行时间校正，然后发送数据信息。无线抄表器接收到燃气表无线通信装置的数据应答后，本次抄表过程结束。如果无线抄表器发送抄表命令后定时器超时仍没有收到数据应答，无线抄表器重发抄表命令。最大重发次数是三次。燃气表无线通信装置在发送相应信息后，再次进入睡眠状态。

图2 点对点抄表流程

3 示范应用测试结果

上海燃气(集团)限公司组织协调完成了 6 000套470 MHz频段燃气表无线通信装置和相关的无线抄表器的试生产，并对470 MHz频段点对点无线燃气抄表系统在下属上海燃气浦东销售有限公司、上海燃气市北销售有限公司和上海大众燃气有限公司进行了6 000户的示范应用。

试点应用工作共分两个阶段进行，第一阶段完成150套的小规模试点测试，在第一阶段成功的基础上第二阶段完成6 000套规模的试点测试。经过几个月的运行，并先后进行了无线抄表和人工抄表的抄见数核对，试点工作的具体情况如下：

楼型选择：18层筒子楼，是无线抄表系统中的典型楼宇结构，该结构形式属于无线抄表中信号传输比较困难的楼宇结构形式。

表4 无线智能表小规模试点应用情况汇总表

表5 无线智能表大规模示范应用情况汇总表

4 验证测试平台

为了对不同厂家生产的抄表设备进行考核，研制了一套点对点无线燃气抄表通信系统验证测试平台设备。

该设备具备严格的技术条件，硬件方面包括高精度的无线收发信机，以测试无线频率的正确性；软件方面包括自动化测试软件，这是功能验证平台的核心和关键，它要完成燃气表无线通信装置、无线抄表器的所有功能和通信协议，同时，它还要实现后台数据交互的功能。

它可以实现燃气表无线通信装置和无线抄表器的所有功能，对要测试的无线抄表系统进行测试；自动化测试软件的智能性、灵活性和易操作性也是系统方案设计中的一个难点。

该验证平台启用至今，已接受了多家厂家验证测试申请，其中4家通过了平台验证，实现了各家产品互通互容的目的。

5 结论

通过两个阶段不同规模不同楼型的试点测试，经过集中式的无线抄表和人工抄表的比对，得出以下使用结论：

(1)470 MHz频段无线智能表的无线抄见率达到了99.94%；

(2)470 MHz频段无线智能表的读数正确率达到了100%；

(3)无线抄表器与后台数据库能按要求完成数据的正确导入导出。

根据以上使用结论，可以得出470 MHz频段无线智能表系统达到了燃气抄表的日常使用要求，同时经过近三年小规模区域使用证明，470 MHz频段无线智能表系统运行性能稳定可靠。