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无线远传集中抄表方案

1.前言

燃气计量是管道燃气公司的主要生产过程,由于燃气是一种可燃流体,输送过程中易发生危险,故燃气进户管道及计量仪表的安装相比水、电等能源形式有更为严格的要求。

抄表和收费一直是燃气公司永恒的主题,自上世纪九十年代以来,燃气表的抄表工作经历了以下几个阶段:人工入户抄表---不入户抄表(门口)--不上楼抄表---不出门抄表(在燃气公司内),并且随着通信技术的发展抄表技术也在不断地改进中。

到目前为止,随着抄表技术的发展,远程集中抄表逐渐成为一种令燃气公司较为满意、技术上较为可靠、领先的抄表方式。

2.抄表方式的变迁

3.无线远传集中抄表系统简介

3.1.系统运行示意图

3.2.系统硬件设备

3.2.1.系统硬件设备特点

数据服务器是一个包含用户信息数据、气价组成数据、用户缴费交易数据以及根据燃气管理部门的需要所设计的各种查询统计数据在内的数据库系统。它除了与WEB服务器、GPRS集中器进行数据交换外,还具有数据完整性检查、数据的备份与恢复、数据库用户权限及安全性的管理。

WEB服务器是一台在Internet上具有独立IP地址的计算机,可以向Internet上的客户机提供各种Internet服务。在本系统中,WEB服务器给客户端提供用户管理、抄表计划管理、抄表记录查询、收费管理、报表管理等界面功能。

GPRS集中器:集中器收集其无线通讯范围内的各无线远传燃气表或采集器中的数据,并利用无线GPRS业务将其采集到的无线燃气表数据传输到燃气管理部门。

采集器:采集器定时收集其无线通讯范围内的各燃气表中数据,并将数据传输到指定集中器。必要时,可与其它采集器或手持抄表器通讯。

手持抄表器作为补充,可直接与无线远传燃气表通讯,通过无线方式完成对燃气表的计量数据抄读、状态检测、阀门控制等功能。并且手持抄表器可完成与集中器、采集器之间的数据交换。

无线远传燃气表是系统的计量和控制部分,它完成对用户所用气量的计量工作。同时,接收主站(集中器、手持抄表器)的指令,响应或返回指定数据、执行特定动作(如关阀或开阀)。

3.3.通讯功能

3.3.1.超远通讯距离

应用最新的SX1278无线芯片,采用扩频通讯技术。

全球知名模拟混合信号与半导体供应商Semtech利用其最新的LoRa调制技术开发出的型号为SX1278的超远距离扩频无线通讯RF芯片,其主要的技术特点就是可将传输距离大幅提升,远胜于交替调制的方法。目前自动抄表系统、无线传感器系统等采用的RF无线模块在郊区的可视传输距离只有0.5~1km,使用这款新的无线模块可大幅延长可视传输距离,在稀疏的环境覆盖范围最大可达到8公里,在环境稠密的地区也可达到2公里以上。

实际接收灵敏度达到-129.5dBm。

一般方案其灵敏度为-108dBm,采用LoRaTM模式可以实现最低可达-148dBm的高灵敏度,经测试实际接收灵敏度可达-129.5dBm,并加上集成的+20dbm的功率输出,可以PK同行业的任何一种无线模块,该模块适用于任何环境复杂的无线数据传输应用,例如:无线抄表、智能家居控制、汽车电子、安防报警、工业监控与控制系统以及远距离农业灌溉控制系统等应用。

经验估计值:收发端每增加或减少 6dB,距离就会增加或者减少一倍。

经实际测试,使用型号为SX1278的无线芯片,将无线远传燃气表放置在室内,在有建筑物遮挡的环境下,其传输距离可达200m左右。

3.3.2.无线路由功能

所有无线路由燃气表都具有双向通讯功能,可以承担转发数据任务;

最大路由级数8级,信号覆盖范围广;

多个备份路径,自动平衡中间节点耗电。

3.3.3.无线自动组网功能

自动搜寻周围节点,无需人工干预,系统调试简单;

组网时间短;

表内路由失效时,节点自主发起重新入网流程。

3.3.4.可实现真正的群抄功能

全网统一唤醒,实现真正意义的群抄;

精准时钟控制,确保数据有序返回;

合理的TDMA(时分多址)退避算法,减少数据碰撞机率。

A、原有方案

A、现有方案

3.3.5.集中抄表设备安装简单化

由于无线抄表距离的大幅提升以及无线组网路由功能的实现,使得;

集中器、中继器的数量大大降低。(根据经验估计,2000户规模的小区,仅需安装一台集中器就可覆盖整个小区)

对集中器安装位置要求降低;

系统的调试工作较为简单。

3.3.5.其它功能

3.3.5.1.自动频率校准功能

具有自动频率校准功能,恶劣环境下也可正常工作;

使用过程中,工作频率可在线调整,以避免其它无线设备干扰。

3.3.5.2.阶梯气价功能

阶梯气价是指居民每年或每月超过天然气基本消费量后,执行高气价。

2014年2月14日,经过数次讨论修改, 《关于实施居民生活用气阶梯气价的指导意见》已完成并上报至国务院。

2014年3月21日,国家发改委公布意见,要求2015年底前所有已通气城市建立起居民生活用气阶梯价格制度。阶梯气价分为三档,各档气价实行超额累进加价,第一档气量应覆盖80%的家庭。无论是后付费模式还是预付费模式,阶梯气价的最基础数据都是一定周期内用户的累计使用量。阶梯气价对燃气用户用气信息的及时、准确获取,提出了更高要求。

根据国家要求,在2015年要全面实施阶梯气价。无论是后付费模式还是预付费模式,阶梯气价的最基础数据都是一定周期内用户的累计使用量。阶梯气价对燃气用户用气信息的及时、准确获取,提出了更高要求。可以预测,具有远程数据抄读功能的燃气表将会占有越来越重要的位置。

可设置 4 阶阶梯气价;

可实时调价,也可定时调整阶梯价格;

阶梯气价周期灵活可设置。(按每月、双月、每季、每半年、每年等)

可设置任一月中的任一天为结算日。

3.3.5.3.预付费方式下的阶梯气价

燃气表内应以金额单位(元)进行结算;

燃气表内内置时钟芯片,具有时钟功能,且误差不大于5分钟/年;

燃气表内保存有计费周期内各阶梯下的用气单价,且可通过不同方式对燃气表内的阶梯气价相关参数进行设置或更改。

3.3.5.4.预付费方式下的阶梯气价实现方法

无线远传集中抄表系统设置四档阶梯气价,用户持IC卡从系统购气后输入表内。燃气表内显示的应为剩余金额(元),表内内置时钟及阶梯气价功能,燃气表判断在一定计费周期内(每月、双月、每季度、每半年、每年等,可进行设置)的实际用气量,燃气表根据各阶梯不同用气量所对应的单价,自动将用气量转换为金额进行扣减,并在液晶显示屏显示对应的剩余金额。

当阶梯气价需要调整时,需重新对燃气表内的阶梯气价参数进行设置。先对系统内的阶梯气价参数进行修改,然后可通过以下几种方案对燃气表内的阶梯气价参数进行修改:①.通过用户IC卡购气时将阶梯气价参数带回表内进行设置;②.使用工具卡统一上门对燃气表进行设置(不带远程抄表功能);③.带远程抄表功能的燃气表可通过系统发送指令统一对所有气表进行设置。

3.3.5.5.后付费方式下的阶梯气价

后付费下阶梯气价可在系统中直接设置四档阶梯气价,当用户在一定计费周期内进行缴费时,系统根据远程集中抄表系统所抄得的燃气表数据,自动计算用户实际用气量对应的每阶梯不同的单价和应收金额,并形成收费记录和出具发票或收据,其上注明详细的用气数据,包括各阶梯档位的单价、用量、金额以及合计金额等等。

当阶梯气价需要调整时,系统管理员可对系统阶梯气价参数重新进行设置,然后通过系统与无线远传燃气表进行通讯,统一将阶梯气价调整信息发到燃气表端进行更新,下一计费周期内或指定日期将统一执行新的阶梯气价标准。

3.3.5.6.历史数据保存功能

无线远传燃气表具有时钟功能,且误差不大于5分钟/年,可有效保存以下数据:

使用寿命内(不低于10年)每月的用气量;

最近60天的每天用气量。

3.3.5.7.抄表时段灵活设置功能

可设定每月期间:某日某时~某日某时期间抄表;每个抄表周期内,表计具备被动唤醒功能;

每15分钟为一个时间区段,可单独设置每个时间区段内,表计无线接收功能是否开启。

3.3.5.8. 在线充值功能

在具有稳定、可靠的无线组网路由功能以及集中器GPRS远程通讯功能的基础上,每只表具均能稳定、实时与燃气公司保持联系,使得无卡在线充值变得可能。

3.3.5.9. 双通道脉冲采样技术

膜式燃气表的指示装置输出信号为机械信号,要实现无线抄表需首先应将机械信号转换为电子信号。远传表采用的是磁敏组件组成的脉冲发生器,在机械指示器0.01m3字轮上安装一永磁铁,两只干簧继电器呈180°夹角安装其附近,字轮每旋状一周,每只干簧管被吸合至少一次,由此产生一个计数脉冲,表示一个脉冲体积当量0.1m3。在电源不间断的情况下,机械、电子记录的累积流量是一致的。机电转换误差:小于0.1m3。

3.3.5.10. IC卡预付费功能

提示功能:

抄表完成后,集中器、采集器或手持抄表器可将用户用气情况信息发送到燃气表,表中会显示当前用气价格、本次用气气量及本次应缴金额。

按“查询”键可显示表中当前表中剩余气量;

当外置电池电压不足时,显示“换电池”;

当剩余气量小于5m3(此值可设定)后,每用气0.1m3,蜂鸣五声,显示“请缴费”;

当剩余气量达到设定值时,将关闭控制阀提示,用户插卡可打开阀门继续用气;

当剩余气量为0时,关闭阀门,停止供气,显示“请缴费”。

保护功能:

电源欠压保护:当检测到电源电压低于指定值时,燃气表会立即关闭控制阀,切断供气,停止电子计数,并记录电源欠压发生时间;

外磁场攻击保护:当燃气表受到外磁场攻击而使计数功能受到影响时,燃气表会立即关闭控制阀,切断供气及停止电子计数,并记录外磁场发生时间;

当气表检测到有读卡错误时,液晶显示“读卡异常”,且根据不同情况,显示相应错误代码;

当检测到用户有违规操作或燃气表故障时,燃气表会显示“异常”,且显示相应故障代码。

另外还有一些其它的防护功能,比如:表壳防拆功能、死表检测功能等等。

3.3.5.11.IC 阀门控制功能

无线集中远传燃气表(带IC卡功能)可在以下条件下自动对阀门进行控制,以达到控制用户用气的目的。

关阀条件 开阀条件
剩余气量为减为0 输入新购气量
剩余气量达到设定的关阀报警值 用户按“查询”键可打开阀门继续用气
气表被强磁场干扰 撤消强磁场
检测到电路故障 更换主板
电池电压低于截止电压 更换电池
取掉干电池 重新安装干电池
系统通过集中器、采集器或手持抄表器向燃气表发出关阀指令 系统通过集中器、采集器或手持抄表器向燃气表发出开阀指令

3.3.5.12.双电源供电技术

无线远传燃气表采用内置锂电池加外置碱性电池的双电源供电方案,两种电源自动切换。

当外置电池被取出时,控制阀将关闭,燃气表自动转由内置锂电池供电。即使用户未装外置电池,燃气公司管理人员仍可以抄读燃气表的状态或发出控制指令。锂电池仅提供无线通讯、液晶显示等用电(不负责开关阀等)。在完全没有外置电池时,锂电池也能至少保证五年以上的可靠运行。

当外置电池安装后,内置锂电池自动切断,不再耗电。同时,控制阀将打开,恢复供气。

当锂电池故障时(开路、短路、电量不足等),电路自动隔离,不影响整表功能。

3.3.5.13.双电源供电技术

工作状态 工作频度 电流 一年消耗电量
静态 全时 <20uA 175.2mAH
电子计数 每天用气5m3,每次计数时间0.2s <3mA 6mAH
无线电唤醒 每 5s 侦测一次,每次侦测时间为 6ms 16mA 168.1mAH
数据传输 每周抄表一次,每次最长传输时间为 20s <30mA 9.3mAH
合 计 358.6mAH

正常情况下,四节品牌碱性电池干电池完全可以使用一年以上。

4.数据采集和通讯设备

4.1.GPRS集中器

GPRS集中器是一个抄表区域的数据汇总设备,用于对水、电、气、热计量表数据进行采集和存储。集中器具有上行和下行两个通道。集中器内置一张SIM手机卡,其上行通道可选用GPRS无线方式、微功率无线方式或局域网方式与管理中心计算机实现远程通信;下行通道采用微功率无线方式对其管辖的采集器或燃气表进行数据采集、处理和存储。

GPRS集中器特点:

内置微功率多通道无线数传模块,具有多个网络通信频段,抗干扰能力强。

具有无线组网功能,最大中继深度可达十级,信号覆盖范围广,无盲区。

自动维护无线抄表网络,多路径数据传输,网络健壮,抄表成功率高。

具有自动频率校准功能,恶劣天气环境下也可正常工作。

自动搜寻采集器和燃气表,无需人工干预,系统调试简单,易于操作。

数据传输采用矩阵式编解码算法,数据准确、保密性好。

采用大容量非易失性高可靠存储器和数据纠错技术,数据存储安全可靠。

具有定时抄表、周期抄表功能,提高管理员抄表效率。

双看门狗防死机设计,户外长时间运行,不死机。

4.2.采集器

采集器与远传计量表、集中器共同组成远程抄表控制管理系统。采集器用于扩展集中器的数据采集范围,对水、电、气、热计量表进行数据采集和阀门控制。采集器具有上行和下行两个通道。上行通道采用微功率无线方式与集中器实现数据传输。下行通道选用微功率无线方式对其管辖的计量仪表进行数据采集和存储。

根据实测经验,2000户以下的小区一般不需安装采集器,只需一台集中器就可覆盖整个小区。

采集器特点:

内置微功率多通道无线数传模块,具有多个网络通信频段,抗干扰能力强。

具有无线组网功能,最大中继深度可达十级,信号覆盖范围广,无盲区。

自动维护无线抄表网络,多路径数据传输,网络健壮,抄表成功率高。

具有自动频率校准功能,恶劣天气环境下也可正常工作。

自动搜寻采集器和燃气表,无需人工干预,系统调试简单,易于操作。

数据传输采用矩阵式编解码算法,数据准确、保密性好。

采用大容量非易失性高可靠存储器和数据纠错技术,数据存储安全可靠。

具有定时抄表、周期抄表功能,提高管理员抄表效率。

双看门狗防死机设计,户外长时间运行,不死机。

5.远程抄表收费系统

5.1.自动组网

通过《远程抄表收费系统》发送“自动组网”指令进行无线远传燃气表的自动路由组网。

5.2.自动集中抄表

通过《远程抄表收费系统》发送“自动抄表”指令进行无线远传燃气表的自动集中抄表。

项目 有线远传燃气表 GPRS/短信燃气表 无线远传燃气表
安装和调试难易程度 需布专用的通讯网络,安装难度大,一旦破坏很难恢复;需专门技术人员安装和调试 安装简单,与普通表基本相同 安装简单,与普通表基本相同
安装和运行成本
耗电情况 可使用市电
数据传输及时性 可随时查看数据 一周或一天上报一次数据 可随时查看数据
网络迁移风险 低(更换集中器模块) 风险很大 低(更换集中器模块)
受外部干扰程度
维护难易程度 难,需专门的技术人员 较难
维护成本 非常高
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