基于GSM的天然气自动抄表系统设计*

王蓝仪,徐 磊,汪向华,邓熙麟,李勃亨,沈思远,梁自鑫

(1.南京林业大学 汽车与交通学院,江苏 南京 210037； 2.南京林业大学 信息科学技术学院,江苏 南京 210037；3.南京林业大学 机械电子工程学院,江苏 南京 210037)

0 引言

目前，水表和电表的自动抄表技术已经得到了充分的发展与普及，而天然气计量数据的读取仍主要依靠人工上门抄表来实现,不仅工作量巨大，需要消耗大量的人力资源，且管理部门无法及时获取用户的使用情况[1]。本文研究设计的天然气自动抄表系统主要由智能燃气表终端、无线通信模块和用户三大部分组成。其中智能燃气表终端通过自身携带的气体流量传感器将用户使用的燃气量测出，并将数据传输到STC12C5A60S2中，由STC12C5A60S2对数据进行处理和储存，通过GSM通信模块将数据以短消息的形式发送给用户与燃气公司[2,3]，实现无线智能电表的自动抄表，且用户或者燃气公司也能够向系统发送短消息以获得当前天然气使用情况。该系统不仅能够有效的降低功耗、误码率与成本，且能够在较大温度范围实现正常的自动抄表功能。

1 总体方案设计

天然气自动抄表系统首先利用Azbil气体微小流量传感器对管道内流过的天然气流速进行测量，将其转化为电信号传输给单片机，然后STC12C5A60S2经过A/D转换接收传感器的电压信号，通过数值积分的方法算出用户已经使用的天然气体积与消费总额。GSM模块将用户的使用情况发送给用户和天然气公司[4]。考虑到用户使用过程中的安全性与舒适性，还设计了按键、液晶以及报警模块， 总体结构框图如图1所示。

图1 总体结构框图

2 硬件电路设计

2.1 气体流量检测电路

本文选取的气体流量传感器是Azbil气体微小流量传感器，该传感器可以将通过传感器内部的气体流速大小转化成电压信号，并可以通过其数据管脚将信号发送出来，结构简单，成本低，获取容易，非常适合在天然气自动抄表系统中使用。

图2 气体流量检测电路

2.2 GSM通信模块设计

STC12C5A60S2通过AD转换接收传感器传来的信号，并通过算法转化成流量，再通过数值积分算出用户已经使用的天然气体积，并算出价格，再通过无线通信将数据发送到用户和天然气公司。本设计用作无线通信的GSM模块，其电路原理图如图3所示。

2.3 MAX232电平转化电路

图3 GSM模块电路原理图

由于SIM300与单片机的电平信号标准不同，本设计采用符合当前所有RS-232C技术标准的MAX232芯片对两种电平相互转化。MAX232芯片内部集成两个RS-232C驱动器与两个RS-232C接收器，可以将单片机输出的TTL电平转换成PC机能接收的232电平或将PC机输出的232电平转换成单片机能接收的TTL电平，其原理图如图4所示。

图4 MAX232电平转化电路

2.4 电源模块设计

电源模块是电路系统中最重要的模块之一，其不仅影响着电子元器件本身的工作性能，还影响着整个系统的稳定性，散热性以及消耗功率等重要性能[5]。在本系统的设计中，主要使用的电源模块有两种，一种是给GSM模块供电的+9V转+4.2V电源模块;另一种是给单片机及其它模块供电的+9V转+5V电源模块。其中+9V转+5V通过使用LM7805芯片实现。由于GSM模块的额定电压是+4.2V，+4.2V对于GSM模块来说更加安全与经济，并且对GSM通信模块损伤小。该模块使用的是MIC29302BU芯片来完成+9V转+4.2V。

2.5 按键模块设计

本文采用仅使用少量I/O口即能够控制较多的4*4矩阵键盘，行线I/O口工作在输出方式，列线I/O口工作在输入方式。首先将所有行的I/O口输出低电平，然后读取列的I/O口是否出现低电平，若出现低电平则表示有按键按下，在确认有按键按下时，依次将行的I/O口输出低电平，并同时检测列的I/O口输入，即可确定按键的位置，然后执行相应的程序，原理图如图5所示，按键功能表如表1所示。

图5 矩阵键盘电路原理图

2.6 报警模块设计

为了保障用户在天然气使用过程中的安全[7]。本设计采用浓度传感器测量用户周围环境的天然气浓度，并在天然气浓度异常时向用户报警,当A/D转化的结果大于设定的上限值时，控制蜂鸣器进行报警。

3 系统软件流程设计

首先单片机通过I/O口获取气体流量传感器测得的管道内气体流速，再通过AD转换将流速数据存储到单片机内，然后将流速转化为流量，通过数值积分的方法获得当前使用的天然气量，并在液晶屏上显示。当用户结束天然气使用后，通过GSM模块告知燃气公司，且燃气公司通过GSM模块告知用户燃气费扣除情况。当矩阵模块检测到用户是使用键盘时，调用相应的子程序，为用户提供相应的服务并通过GSM模块实现余额查询及用户充值[8]。

图6 系统流程图

4 实验结果

考虑到实际流量难以准确获得，本文使用matlab对该系统进行仿真。其中以T=100 ms的周期对流速取样。可得第n次取样的流量q(n)为：

q(n)=v(n)A

.

(1)

其中v(n)为第n次取样的流速，A为管道截面积。

可得当第n次取样时，测得使用的天然气体积为：

.

(2)

由于Azbil气体微小流量传感器存在的测量误差，考虑引入误差系数δ，其中δ服从正态分布，且δ∈[0.95,1.05]。由式(3)可得，实际测得使用的天然气体积为：

(3)

假设用户使用天然气15 min，其中流速按照给定函数f(t)变化。

表1 天然气测量效果

由表可得，测量值与实际值基本重合，在第20 min时有最大测量误差为0.0197L，在第1 min有最大相对误差为0.45%，效果比较理想，完全达到了测量精度的要求。

5 结论

本文设计的天然气自动抄表系统，通过气体流量传感器接收的天然气流速信号计算出用户的天然气使用量，并将用户数据经过GSM通信模块发送给用户与燃气公司，同时可以通过矩阵键盘实现在线充值，余额查询等功能；当天然气发生泄露时，报警模块能够及时的向用户发出警告。研制的样机工作可靠，可以达到所需的计量精度，工作所需功率小，安全性能高，能够准确地向用户和燃气公司传送数据，具有较高的实用价值。