GSM物聯網燃氣表及其系統介紹

費戰波 潘明輝

新天科技股份有限公司

居民戶用燃氣表已經向智能化、數字化、網絡化方向發展，物聯網燃氣表及其系統改變傳統的商業模式，能夠向燃氣公司提供整體的運營管理服務，不但能夠實現遠程抄表，而且能實現燃氣公司的綜合業務管理；不但解決了燃氣公司管理中的諸多問題，而且提升了燃氣表公司信息化管理的水平，甚至通過增值

服務減輕了燃氣公司的業務管理。物聯網燃氣表集遲滯采樣技術、多地址存儲技術、自動降耗技術為一體，是目前也是今后智能燃氣表集抄系統的發展方向。

關鍵詞  物聯網 智能 網絡 燃氣表

一、 引言

物聯網(Internet of Things) 顧名思義，就是物物相互關聯的網絡，是一個基于互聯網、電信網等信息承載體，使所有能夠被獨立尋址的物理對象實現互聯互通的網絡。

1999年，MIT Auto-ID中心Ashton教授在研究RFID時最早提出“萬物皆可通過網絡互聯”，闡明了物聯網的基本含義。隨著社會的進步和科技的發展，物聯網的定義和范圍發生了巨大的變化，覆蓋范圍也有了較大的拓展，不再是僅僅局限于RFID技術的物聯網。2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”一來，物聯網被正式列為國家五大新型戰略性產業之一，寫入了“政府工作報告”，之后物聯網受到了全社會極大的關注。

物聯網用途廣泛，遍及智能交通、能源監控、環境保護、智能家居、智能醫療、樓宇照明、政府工作等領域，發展物聯網可以提高人們的生活質量，可以帶動相關產業的發展，能夠促進社會的和諧發展。

二、 物聯網燃氣表介紹

業界一般將物聯網分為三個層次：用來感知數據的感知層、用于數據傳輸的網絡層及功能強大的應用層。物聯網燃氣表是智能燃氣表在物聯網領域的應用，是智能燃氣表的發展趨勢。物聯網燃氣表具有無線數據傳輸能力（實時、雙向）、網絡化的特點。

目前市場上主流的無線遠傳燃氣表（俗稱“小無線”）和市場上最新出現的GSM燃氣表(俗稱“大無線”)都統稱為物聯網燃氣表。無線遠傳燃氣表和GSM燃氣表的應用層功能是沒有任何區別的，實現的物聯網功能一模一樣，如人機對話、短信支付、短信提醒、銀行代收費等，所不同的是中層傳輸網絡層的區別。

無線遠傳燃氣表和手機燃氣表的中層傳輸網絡層的區別，可打個比喻來說明：一個單位辦理上網手續，要申請寬帶，單位里有三十臺電腦，申請一條寬帶，然后分別裝幾個無線路由器，三十臺電腦即可共用，這種情況就是無線遠傳表，而申請三十條寬帶，分別用在三十臺電腦上，這種情況就是GSM燃氣表。無線遠傳燃氣表由于其成本低、費用小、組網靈活、電池耐用等特點已經被廣泛推廣，筆者在這里重點介紹基于GSM移動網絡通訊的燃氣表及其系統，其網絡結構如下圖1所示：

 

圖1

     GSM物聯網燃氣表系統由物聯網燃氣表、GSM/GPRS網絡、物聯網數據中心三部分組成。其中物聯網燃氣表采用電池供電、內置移動通訊模塊，計量模塊，控制模塊等；物聯網數據中心主要功能由配置管理、客戶資料管理、收費管理、統計分析、告警管理等。從系統構架可以看到，GSM物聯網燃氣表系統具有建設成本低、安裝調試簡單，建設周期短，覆蓋范圍廣，數據傳輸速率高等優點，今后會是智能燃氣表的發展方向。

三、 GSM物聯網燃氣表主要功能

1、 遠程預付費功能，實現階梯氣價。

傳統的預付費是以IC卡為載體與智能表進行數據交互，實現先付費后用氣，業內稱之為本地預付費。2014年03月21日發改委發布《階梯氣價指導意見》，要求2015年底所有通氣城市建立階梯氣價制度。意見指出階梯氣價將分為三檔，各檔氣量價格實行超額累進加價，第一、二、三檔氣價原則上按1:1.2:1.5左右的比價安排。這就引發了一系列的問題：以購買量結算的智能燃氣表如何實現階梯？以購買金額結算的燃氣表何時進行調價？如何實現調價？物聯網燃氣表解決了以上問題。燃氣表只需定期傳送使用量，調價、數據統計、分析全部交給燃氣物聯網數據中心處理，高效、便捷。同時，數據中心會將新的氣價變更通知以短信型式提前告知用戶，提醒用戶避免因調價導致的余額不足關閥事件的發生。

2、漏氣報警功能，保障用戶安全。

燃氣的使用一直以來是民生安全不可忽視的問題，每年全國各地都有因燃氣泄露而發生事故。燃氣膠管老化、超過使用年限、膠管兩端沒有管卡固定等均會造成燃氣泄露，因此燃氣發生泄露時，第一時間切斷氣源至關重要。具有漏氣報警功能的GSM物聯網燃氣表，外置燃氣報警器，當發生燃氣泄露時，報警器發出聲音報警，同時燃氣表關閉閥門，避免燃氣的繼續泄露。同時，燃氣表記錄關閥原因，并將異常上傳至數據中心，客戶服務中心通過告警系統發送短信反饋客戶：尊敬的XXX用戶，您家的燃氣可能存在泄露，燃氣表已經關閥，請及時處理，回家時請先開窗通風，不要開燈，避免明火。同時，可在第一時間派專業人員到現場進行處理，保證用戶的使用安全。

3、過流保護功能，避免氣表損壞，同時又保障用戶安全。

眾所周知，膜式燃氣表采用獨立的計量機芯設計，一般包括膜片、膜盒、單向旋轉閥分配系統及傳動系統組成。傳動系統的轉動速度取決于燃氣表的流量，流量的大小又取決于管網的壓力。過大的管網壓力波動會導致氣表的急停急啟，進一步使傳動系統運轉不流暢，存在傳動系統卡軸的現象發生。過流檢測功能，能夠自動檢測通過燃氣表的流量，當氣表的使用流量超出設定值，燃氣表便關閉閥門，保護氣表。此外，一旦發生燃氣表過流，有可能存在脫管的現象，及時的關閉閥門也可保障用戶的安全。

4、防磁干擾、磁攻擊功能，計量更準確。

智能燃氣表普遍將干簧管、霍爾元件、維根傳感器等磁敏元件加裝在字輪上用于計量，容易受磁性物質的干擾。更何況磁傳動結構的燃氣表在傳動原理上也受磁性物質的影響。采用雙傳感器計量方式，將傳感器分布在字輪的兩側，可有效檢測磁性物質的存在。燃氣表在檢測到磁干擾、磁攻擊后會記錄此次事件，并將相關信息傳遞至數據中心，通知專業人員進行現場排查。

5、其他功能。

燃氣表內置時鐘模塊，可記錄燃氣的使用時段及使用情況，可及時提供準確的使用數

據供管理中心分析，管理中心與其他系統結合便可以實現更多的服務功能；同時管理中心支持對用戶的短信提醒功能，欠費提醒功能、調價提醒、充值成功提醒、電量不足短信提醒、

異常信息、自定義短信等。

四、關鍵技術

1、遲滯采樣技術—解決機械數值和電子數值不對應的問題

    燃氣表計量的準確性取決于采用傳感器性能的好壞，市場上普遍采用磁敏開關器件用于計量。但凡開關器件在打開或關閉的瞬間會產生抖動，磁性物質處于臨界狀態時磁敏器件的開關性能開始變的不穩定。采取類似“遲滯比較器”的原理，設計遲滯采樣技術，把磁敏元件（采樣傳感器）做成特殊的遲滯器，便可解決此問題。例如，當磁鐵需靠近磁敏元件至5mm時，磁敏元件才吸合；當磁鐵離開磁敏元件至8mm時，磁敏元件才斷開，有了這種準確數據化的臨界點界定手段，即使在抖動情況下，采樣器也只計量有效信號，不會發生亂計數、多計數的問題。

2、提高電池使用壽命的技術

   電源是一切電子模塊正常工作的根本保證，GSM物聯網燃氣表內置的通訊模塊在發送數據時瞬時電流達1A以上，系統待機狀態功耗在2~3毫安，而模塊的工作電壓普遍在又3.3V左右，因此普通的3.6V鋰亞電池或堿性干電池無法保證系統的長期穩定工作。為解決此問題，燃氣表曾經采用市電供電的方式?？紤]到安全問題《CJ/T112-2008 IC卡膜式燃氣表》規定禁止使用交流電供電的IC卡燃氣表。很顯然，智能燃氣表的供電直接關系到燃氣表的安全問題，電池供電仍將是首選。

根據電化學老化反應規律，每升高10℃，物品的化學反應速率增加1倍。按照室溫20攝氏度存放360天可以推斷出在高溫70℃條件下存放11天是等效的，采用此方式可以有效評估電池的自放電性能，從而選擇高性能的電池。采用高性能鋰電池+HLC的方式可將電池的使用壽命大大提升，同時保證電池能夠釋放大電流，符合GSM物聯網燃氣表的設計要求。

3、基于時間窗口的定時喚醒技術

   GSM物聯網燃氣表系統平時處于休眠狀態，電流只有幾個微安，但GPRS模塊在待機時有幾個毫安，而GPRS模塊在瞬間通訊時電流可達到1A以上。因此，在確保電池使用壽命的同時，也必須保證數據傳遞的暢通性。采用基于時間窗口的定時喚醒技術如圖2，可以使系統的綜合功耗大大降低，有效提高電池使用壽命。

 

圖2

4、兩線制閥門到位檢測技術

燃氣表的閥門普遍采用內置的電機閥，如螺桿閥、截至式閥門等，一般由伸縮橡膠閥門、關閥彈簧、齒條桿、到位開關、離合機構、減速電機等部件組成。從其結構可以分析，閥門到位后會產生堵轉，而堵轉電流是非常大的，會造成電池不必要的能量損耗。兩線制到位檢測控制技術，能夠根據閥門的驅動電流，自動檢測閥門是否到位，能夠在最短時間內切斷動閥電流，節省電池功耗。其結構簡單，可靠性高，在IC卡智能表領域曾廣泛應用，是物聯網燃氣表的首選。

5、全密封技術

燃氣表的使用環境容易受油煙、潮氣影響，而電子器件的天敵正是這些惡劣的環境因素，更何況GSM物聯網燃氣表大部分使用SIM卡卡座，受油煙的影響更容易出現接觸不良，導致氣表無法正常工作。設計一種斜插式電路板防護倉，對SIM卡進行二重密封，電路板進行密封膠密封，可解決油煙問題，延長燃氣表的使用壽命。

四、 結束語

新天科技從事智能燃氣表的研究已經有十余年的歷史，在燃氣表行業積累了豐富的經驗，比如延長電池使用壽命的全新的電池解決方案，泡在水中可工作的防水防潮工藝設計等，因此在物聯網燃氣表領域已率先將基于無線自動路由技術的燃氣表廣泛推廣。“成為世界智能表行業領導者”是新天的使命，相信在新天科技及廣大智能表廠家的共同努力下，GSM物聯網燃氣表定會為智慧城市做出積極的貢獻。

GSM IOT gas meter and the introduction of the system

Abstract
Household gas meter already to the intelligent, digital, network oriented direction, the Internet of things and its system of gas meter has changed the traditional business model , provided the overall operation and management services to the Gas Co, it not only realizes the remote meter reading, comprehensive business management; but also solves the problems in the management of

the Gas Co, and reduces business management by added services.The Internet of things of gas meter set hysteresis sampling technology, multi address storage technology, automatic saving technology as a whole, is the development direction of the present and the future of intelligent gas meter reading system.

Keywords   Internet of things intelligent network gas meter

作者簡介

作者簡介：費戰波（1966-   ），男，河南鄭州人，高級工程師，碩士，從事電子測量與儀表技術研究十余年。

潘明輝 （1983—  ），男，河南鄭州人，電氣自動化及儀表工程師，本科，從事智能表及其自動化抄表系統的研發，2013年一種M-BUS無源直讀燃氣表抄表系統榮獲河南省科技進步獎。