物联网智能燃气表传感网络通信抗干扰技术

邵泽华

(成都秦川物联网科技股份有限公司，四川 成都 610100)

1 概述

燃气表感知控制技术、传感网络通信技术以及物联网技术的快速发展，使物联网智能燃气表逐渐成为燃气表市场上的主流产品。物联网智能燃气表具有远程智能感知控制、智能管理、智能保护和安全切断等功能，有利于实现燃气用户安全用气、公平用气、智慧用气。

物联网智能燃气表远程功能的实现需要无线传感网络通信技术作支撑。当前部分物联网智能燃气表采用的传感网络技术工作于非授权频谱(多为470～510 MHz)。非授权频谱的使用受政府管制力度较小，通信设备量巨大，通信环境复杂，若无有效方法规避信道竞争，则通信质量无法得到保障，通信可靠性、数据安全性面临较大风险。

2 智能燃气表传感网络通信抗干扰技术

物联网智能燃气表传感网络一般由传感网络管理服务器、电信运营商基站、集中器、物联网智能燃气表组成。在一些环境复杂的物联网智能燃气表安装场所，集中器和物联网智能燃气表可通过采集器连接，以提高通信的成功率。

物联网智能燃气表传感网络通信的干扰来源分为网内干扰和网外干扰。网内干扰是指物联网智能燃气表传感网络内部相邻设备之间的干扰;网外干扰是指物联网智能燃气表传感网络外部设备或环境对通信造成的干扰。笔者团队通过分析物联网智能燃气表传感通信网络的通信特点，设计开发了传感网络多信道组合通信技术、通信环境频率检测和自动跳频技术，能有效解决网内和网外干扰源对物联网智能燃气表传感网络通信造成的干扰，大大提高通信的成功率。

2.1 传感网络多信道组合通信技术

传统的燃气表传感网络通信多采用固定频点、单信道通信方式进行通信，通信频率多工作在非授权频谱范围内(通常设定在470～510 MHz)，信道资源有限。单信道通信具有实现简单、网络内节点相互发现容易、组网便利的优点，但对信道的分配具有混乱性和随机性，信道资源利用率低，极易出现信道竞争等异常情况，给设备间的组网和通信造成不便，严重影响数据的传输速度和通信成功率，甚者导致网络瘫痪，无法通信［1］。同时，无序的信道分配使无线传感网络设备对数据的处理效率低:多个下层设备向上一层设备传输数据时，上层设备需接收通过某信道传输来的所有数据(包括所辖范围内设备数据和非所辖但使用同一信道的外界设备数据)，若数据量过大则易导致上层设备处理能力下降，资源利用率低，且通信安全无法得到保障。

物联网智能燃气表传感网络多信道组合通信技术［2］将信道分为基础信道和通信信道，基础信道用于组网，具有9组信道，相邻两组基础信道的频率间隔为5 MHz。通信信道用于通信，具有191组信道，相邻两组通信信道的频率间隔为200 kHz。

在整体上分层次、有序、合理地进行信道分配，优化组合不同层级设备所用通信信道是提高无线通信成功率的基础。相同层级设备分配不同信道与所辖范围内的下层通信设备通信，当某一信道被分配后，则由上层设备用基础信道向下层设备广播分配结果。通过对信道合理有效的分配，能降低设备间的信道竞争，使传感网络通信抗干扰能力强，数据收发能力强，可避免上层设备对下层设备误唤醒，降低终端设备功耗和延长终端电源的使用寿命。

① 组网

物联网智能燃气表传感网络的组网包括:传感网络管理服务器与集中器的组网;集中器与采集器的组网;采集器与物联网智能燃气表的组网。物联网智能燃气表传感网络组网见图1。

图1 物联网智能燃气表传感网络组网

a.传感网络管理服务器与集中器的组网:传感网络管理服务器与集中器通过GPRS通信技术建立通信关系。

b.集中器与采集器的组网:集中器利用基础信道向采集器发送组网指令，实现组网。

c.采集器与物联网智能燃气表的组网:采集器采用基础信道向物联网智能燃气表发送组网指令，实现采集器与物联网智能燃气表之间的组网。

在物联网智能燃气表传感网络中，集中器、采集器以及物联网智能燃气表的基础信道是预先设定好的，利于设备间相互发现，提高组网的成功率。相邻的集中器、采集器之间分配的基础信道不同，可有效防止错误组网:如集中器1采用基础信道h与所辖采集器组网，相邻集中器2采用基础信道h+1与所辖采集器组网，则集中器2不会错误地与集中器1所辖范围内的采集器组网;又如采集器1采用基础信道k与物联网智能燃气表组网，相邻采集器2采用基础信道k+1与物联网智能燃气表组网，则采集器2不会错误地与采集器1所辖范围内的物联网智能燃气表组网。

② 通信信道分配

组网成功后，传感网络管理服务器为集中器和物联网智能燃气表的通信分配通信信道。为了降低物联网智能燃气表传感网络相邻设备之间的信道竞争，传感网络管理服务器在对通信信道进行分配时采用相应的规则，能有效提高信道的利用率。物联网智能燃气表传感网络通信信道分配见图2。

图2 物联网智能燃气表传感网络通信信道分配

在物联网智能燃气表传感网络中，相邻集中器分配不同的通信信道与采集器通信:如集中器1分配通信信道a与所辖采集器通信，集中器2分配通信信道a+1与所辖采集器通信，能避免集中器1与集中器2之间的信道竞争。相邻采集器分配不同的通信信道与物联网智能燃气表通信:如采集器1分配通信信道b与所辖物联网智能燃气表通信，采集器2分配通信信道b+1与所辖物联网智能燃气表通信，这样能避免采集器1与采集器2之间的信道竞争。

通过合理的通信信道分配，除能有效降低相邻集中器之间的通信信道竞争外，还能有效减少集中器对非所辖物联网智能燃气表的误唤醒，降低物联网智能燃气表表端功耗，延长其电池使用寿命。同时，物联网智能燃气表传感网络多信道组合通信技术是将物联网智能燃气表传感网络划分为多个分布在不同频段、采用不同信道的小局域网，提高了网络传输的速率，提高了集中器和传感网络管理服务器的数据并发处理能力以及数据吞吐量。

2.2 通信环境频率检测和自动跳频技术

传感网络通信除了易受物联网智能燃气表传感网络内部相邻设备信道竞争外，还易受外界环境的信道竞争影响，此干扰是不可控和不可预见的，需要物联网智能燃气表传感网络设备具有外界通信环境频率检测(检测现场通信环境频率干扰情况，提高传输可靠性)以及自动跳频能力(自动选择合适的通信频率，即通信信道，提高通信成功率)。一般智能燃气表在生产时就确定了通信频率，而未充分考虑燃气表工作地点的实际通信环境，当工作地点存在强信道竞争情况时无法正常通信，即使燃气表具有工作频点修改功能，由于无法自动切换工作频率，需人工介入，效率低下，通信效果差，一定时间后再次发生信道竞争的概率大。

本文所述通信环境频率检测和自动跳频技术［3］能有效应用于物联网智能燃气表的传感网络通信，提高通信成功率。

① 工作原理

物联网智能燃气表传感网络中的集中器所处外界环境较为开阔，一般通信环境较好，与传感网络管理服务器通信时遭遇信道竞争概率小;而物联网智能燃气表所处环境较为复杂，在与集中器(不存在采集器的情况下)进行通信时极易受信道竞争影响。

物联网智能燃气表与集中器一般分配有两个上行信道(上行信道A和上行信道B，也可分配更多信道)和两个下行信道(下行信道A和下行信道B，也可分配更多信道)用于通信，其中下行信道A为初始工作下行信道，上行信道A为初始工作上行信道。上行信息为感知信息，下行信息为控制信息。通信环境频率检测和自动跳频技术原理见图3。

物联网智能燃气表中与通信有关的模块包括信道噪声电平检测模块、感知信息生成模块以及表端通信模块。信道噪声电平检测模块用于检测下行信道噪声电平，与设定的噪声电平阈值作比较，选择最优下行信道编号发送至感知信息生成模块。感知信息生成模块用于将信道噪声电平检测模块发送来的最优下行信道编号封装入所需上报的感知信息中。表端通信模块用于根据设定的感知信息发送规则向集中器上传含有最优下行信道编号的感知信息。

图3 通信环境频率检测和自动跳频技术原理

集中器中与通信有关的模块包括本地通信模块、感知控制信息解析模块以及远程通信模块。远程通信模块用于向传感网络管理服务器发送感知信息以及接收传感网络管理服务器发送来的控制信息。感知控制信息解析模块用于解析物联网智能燃气表传输来的感知信息和传感网络管理服务器传输来的控制信息，通过解析感知信息能获得最优下行信道编号。本地通信模块可以接收来自表端通信模块的感知信息，也可以将控制信息通过最优下行信道发送给物联网智能燃气表。

② 主要工作过程

通信环境频率检测和自动跳频技术的主要工作过程见图4。通信环境频率检测需依靠信道噪声电平检测模块，通过检测下行信道噪声电平以及将下行信道噪声电平与其他下行信道噪声电平或设定的噪声电平阈值作比较来实现。

图4 通信环境频率检测和自动跳频技术的主要工作过程

a.物联网智能燃气表通电或者按时自动上报表端数据时，信道噪声电平检测模块检测此时下行信道A的噪声电平:若下行信道A的噪声电平低于或等于所设定的噪声电平阈值，说明此时下行信道A的信道竞争较低，集中器可选择下行信道A进行控制信息的下行数据传输。若下行信道A的噪声电平高于所设定的噪声电平阈值，则检测下行信道B的噪声电平，比较下行信道B与下行信道A的噪声电平:若下行信道B的噪声电平低于下行信道A且低于所设定的噪声电平阈值，则集中器可选择下行信道B进行控制信息的下行传输;若下行信道B的噪声电平低于下行信道A且高于所设定的噪声电平阈值，或下行信道B的噪声电平高于下行信道A，则噪声电平检测模块选择其他信道进行噪声电平检测，以此类推，直到找到最优下行信道。

b.噪声电平检测模块在确定最优下行信道后，由感知信息生成模块将最优下行信道对应的信道号封装于感知信息中，由表端通信模块采用上行信道A向集中器发送感知信息。若多次重复发送后仍未收到反馈信息，则自动跳频切换其他上行信道重新发送。

c.集中器在接收到物联网智能燃气表发送来的感知信息后，由感知控制信息解析模块进行解析，获得控制信息最优下行信道编号。当传感网络管理服务器需要向物联网智能燃气表发送控制信息时，通过集中器采用最优下行信道进行控制信息传输。

3 结语

通过运用物联网智能燃气表传感网络多信道组合通信技术、通信环境频率检测和自动跳频技术，能有效规避物联网智能燃气表通信过程中面临的网外干扰和网内干扰问题，减少信道竞争，提高数据传输和处理效率，提高系统的并发处理能力及系统吞吐量。降低了传感网络管理服务器对物联网智能燃气表误唤醒的次数，降低了表端能耗，延长了表端电池的使用寿命。