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基于无线传感器网络的移动式城市燃气表监控与管理系统

  【摘 要】城市供电、水、煤气、热水等事业虽在迅速发展,但行业和管理水平却相对落后。国内外许多年来一直是采用查表收费的模式,传统的手工抄表方式由查表人员入户查表计费,然后再由收费人员入户收费或将帐单送到用户,通过银行进行结算,这种方式费时、费力,准确性和及时性得不到保障,已经不适应社会的发展需求了。随着无线电技术的发展,芯片生产成本的降低,将无线电技术用于燃气部门是大势所趋。利用无线传感器网络管理燃气表信息完全可以解决人工管理燃气表信息和有线网络管理燃气表信息方法的不足,这主要是因为其安装灵活方便,建设周期短,造价低廉。无线传输的方式,使系统有很大的灵活性,发射功率小,非常适合于民用设备。 本文笔者对基于无线传感器网络的移动式城市燃气表监控与管理系统进行了分析和探讨。
  【关键词】无线传感器网络;移动式城市;燃气表监控与管理系统
  前言
  由于城市小区住宅房屋结构和燃气表安放位置存在复杂性和多样化的特点,为保证无线传感器网络中数据的可靠传输,延长无线网络节点的使用寿命,需要对燃气表监控与管理系统的无线传感器网络结构及其路由协议进行研究。以实现城市燃气表监控与管理系统的数字化、网络化和自动化。抄表人员不需访问每户人家,只需在楼下按下抄收键,即可获得该楼的所有燃气表的读数。
  1 燃气表监控与管理系统结构概述
  燃气表监控与管理系统主要包括基于PC的服务器和无线传感器网络。基于PC的服务器主要用于燃气公司对居民燃气使用、燃气输送和收费等方面的管理。无线传感器网络主要用于燃气表数据的转换、采集、收发和控制等功能。无线传感器网络中基于PDA的汇聚节点,即手持式抄表器,通过USB接口与基于PC的服务器进行通信,实现燃气表数据的上传和手持式抄表器及抄表人员的管理。基于无线传感器网络中包括了节点、中间节点和汇聚节点。节点即安装在燃气表上的采集节点,它的主要功能是通过微处理器将机械式的燃气流量数据转换为电信号,对其进行存储、管理。能够通过无线收发器,根据汇聚节点的控制命令和无线网络的多跳路由协议,发送本地燃气表数据、转发其它节点的燃气表数据或控制命令,以及对燃气表进行开通或停用的管理。中间节点是一个中间转发节点,它的主要功能是通过微处理器和无线收发器,完成燃气表数据或控制命令的转发功能,实现无线网络的中继传输。基于PDA的汇聚节点的主要功能是监控与管理燃气表,并实现与基于PC的服务器通信的功能。在整个燃气表监控与管理网络中,基于PDA的汇聚节点通过命令的方式,对采集节点进行管理,实现对燃气表数据的采集、燃气表的节点的能耗监测以及燃气表的开通与停用等任务。
  由于城市小区房屋结构存在复杂性和多样化的特点,采集节点的数据通常采用多跳的方式传输到汇聚节点。当抄表员需要采集用户使用的燃气流量信息时,抄表员只需要通过PDA汇聚节点给采集节点发送唤醒命令,唤醒处于睡眠的采集节点。然后,通过多跳的方式把采集命令发送给目标燃气表采集节点。采集节点接收到采集命令后,进行数据采集,当采集完数据后,再将数据通过多跳的方式发送到汇聚节点,实现对燃气表数据的采集。PDA汇聚节点发送的命令除唤醒命令和采集命令外,还包括节点能耗采集命令,燃气表开通和停用命令等等。
  2 无线传感器网络中基于PDA的汇聚节点分析
  随着计算机网络的日益发展,人们对通过网络获取信息的依赖性越来越强,要求也越来越高,这不仅体现在对获取和提交信息量的增大,更体现在对获取信息的实时性和信息获取设备的便携性,出现了更多易于携带的移动设备,如PDA、个人通信器、笔记本电脑、智能手机等移动掌上设备。同时,也出现了Palm OS, WinCE,Linux等支持移动掌上设备的操作系统,以及针对移动条件的数据库管理软件。本文将基于移动掌上设备技术应用于无线传感器网络汇聚节点设计,实现燃气数据的采集与管理。
  采集与管理汇聚节点不但需要采集住宅小区内大量用户的燃气表数据,而且需要与PC机进行通信,实现数据的上传。因此,它主要有一下一些特点:
  (1)移动性。采集与管理汇聚节点能够在移动过程中,通过无线射频接口与燃气表采集网络节点连接。
  (2)资源局限性。采集与管理汇聚节点的电源能力有限,主要依靠电池供电,容量有限。
  (3)网络通信的非对称性。燃气表采集网络节点的数量较多,而且通常工作与发送状态,下行链路和上行链路的通信带宽和代价相差较大。
  由于采集与管理汇聚节点具有上述特点,构造一个基于PDA的移动应用系统,必须在终端、数据库平台以及应用软件开发上进行考虑。
  3 基于PDA的汇聚节点人机交互界面分析
  3.1 主界面
  基于PDA的汇聚节点主界面。PDA采用windows mobile 5移动操作系统。整个PDA抄表系统包括5个功能:下载、抄表、上传、设置和查询。
  图1 PDA抄表系统主界面
  3.2 系统设置界面
  在抄表系统使用之前,首先要做系统设置。从PDA抄表系统主界面中进入设置功能。系统设置界面如图2所示,其中包括输入员工编号、员工姓名、功能URL。员工编号表示使用抄表系统的员工编码,是员工的唯一标识。员工姓名表示使用抄表系统的员工姓名。功能URL表示上传或下载数据的服务器地址。通过点击保存,对设置数据进行保存。
  图2 系统设置界面
  3.3 抄表数据下载界面
  数据下载的功能是在抄表前从服务端下载已生成、处于待抄表或待审核状态的抄表册数据。从PDA抄表系统主界面中进入下载功能。抄表数据下载界面如图3所示。输入开始日期与结束日期表示抄表工作日期。通过抄表数据下载功能,可以获得抄表员的工号与抄表机所设置工号相同,计划执行日期在开始日期和结束日期之间,状态为待抄表或待审核。
  图3 抄表数据下载界面
  3.4 现场抄表界面
  从PDA抄表系统主界面可以进入现场抄表界面。如图4 所示,选择抄表册界面。根据抄表地点,选择对应的抄表册。
  图4 选择抄表册界面
  3.5 抄表界面
  选择抄表册后,进入抄表界面,通过抄表界面的基本信息页,可以查看燃气用户的编号、姓名、地址、本月表数、本月气量、本月气费及上月表数。通过抄表界面的详细信息页,可以查看联系电话、价格类型、气表钢号、平均气量、收费明细及总欠费。
  图5 抄表界面
  选择抄表册后,进入统计界面,可以对小区的总户数、总气量、未抄、入户等情况进行统计。
  图6 抄表情况统计
  3.6 抄表数据查询界面
  从主界面可以进入查询界面。抄表数据查询界面如图7所示。从查询界面,可以通过抄表册、用户编号、用户名称、用户地址及气表钢号进行查询。
  图7 抄表数据查询界面
  3.7 抄表数据上传界面
  从主界面可以进入抄表数据上传界面。从列表中选择抄表册,可以对单个抄表册上传,也可以对全部抄表册上传显示。
  图8 抄表数据上传界面
  4 结语
  本文 PDA技术与无线传感器网络技术相结合,设计了基于无线传感器网络的移动式城市燃气表监控与管理系统。通过对无线网络节点数据采集方法及数据传输路由协议,完成了燃气表监控节点设计和基于PDA的燃气数据采集与管理汇聚节点软件设计,实现了城市燃气表网络化、无线化和移动化管理,节约了人力成本,提高了燃气表监控与管理系统的自动化程度和灵活性。
  参考文献:
  [1]孙利民,李建中.等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
  [2]任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003(7).


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