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【摘 要】自管道燃气入户以来，燃气的抄表收费作为新的行业随之应用而生。20世纪以来，计算机技术已逐渐深入各个领域。面对新世纪的挑战，燃气企业要发展，提高市场竞争力，管理的创新、新技术的应用显得尤为重要，建立全新的燃气营业收费管理平台，采用新的技术代替传统的抄表、收费工作，已成为一个燃气企业要立足、发展的必然选择。燃气抄表、收费模式也因此随着燃气企业的发展需要在不断的革新。
【关键词】无线抄表系统；无线自动路由；Zigbee；GPRS；抄收率
1.传统的抄表收费模式
采用“先用气，后付款”的管理模式，抄表收费工作都是纯手工进行、账本记录。燃气公司抄表人员每月入户抄录用户的煤气表指数，计算用户使用的煤气量，并收取煤气费。
由于大多数燃气公司采用的是定期人工抄表的方式，而我国居民住宅的燃气表大多安装在室内，随着管道燃气用户的增多，这种方式存在的弊端日益凸显：
（1）工作效率低、劳动强度大。
（2）入户抄表既给用户带来不便，也因入户难给燃气公司抄表收费带来困难且一些用户因此拖欠燃气费。
（3）现金收取的不便以及现金携带的不安全性。
（4）人工抄表、手工记账、现金收取，数据易出错，账本不易保存，出现错误不易查找。
2、自动抄表技术的发展现状
自动抄表技术在20世纪80年代中期诞生于美国，而在90年代初国内开始有厂商研发自动抄表技术。近几年，随着国内居民生活水平的提高及对住宅小区智能化管理的发展要求，自动抄表技术在国内的得到了迅速发展。自动抄表系统是将小区内用户的水、电、气等其他仪表的使用量通过传输媒体（有线、低压电力载波、无线等信道）实现的数据集中采集、处理、存储和管理的系统。在自动抄表系统中，数据的正确采集和有效传输是要解决的关键问题。随着自动抄表系统性能的不断完善和价格的降低。该系统将在国内迅速推广，目前的抄表技术主要有：有线抄表、电力载波、无线抄表。
3、无线抄表系统与有线抄表系统的对比
3.1成本低廉
有线通讯方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力和物力；而无线数据传输方式无需架设电缆或挖掘电缆沟，节省了人力物力，投资是相当节省的。
3.2建设周期短
当要把成千上万户居民计量表相互连接通讯时，采用有线的方式必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟（尤其是对于边远地方的计量表），这个工程周期可能就需要数个月的时间。而用无线通讯方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速建起通信链路，工程周期大大缩短。
3.3适应性好
有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境时，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力。而用无线通讯方式将不受这些限制，所以说无线通讯方式比有线方式有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。
3.4扩展性好
在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新的计量点，如果采用有线方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路。而采用无线通讯方式，相比之下有更好的扩展性。
3.5设备维护上更容易实现
有線通讯链路的维护需要沿线路检查，出故障时，一般很难及时找出故障点。而采用无线通讯方式无需检查线路，出现故障时则能快速找出原因，恢复系统正常运行。
4、无线抄表系统与电力载波抄表的对比：
电力载波式，载波式的优点是借用电力线作通讯线省去布线的麻烦，是抄表技术的一个很好的思路。缺点是：可靠性差，通讯不稳定，由于低压电力线本身的介质、结构和负荷的影响，载波信号易受干扰。另外，电力载波抄表系统国家只允许在指定的试点地区做电表远程抄表试验，还没有应用到水表和气表抄表系统中，水表和气表必须将信号传输到采用电力载波通讯的采集设备上，也就是说：对水表和气表而言，没有解决连线的问题。电力载波通讯方式和电话线调制、以太网调制、无线传输等方式相比，灵活性、稳定性要差得多，目前电力载波最大的屏障体现在通讯成功率上。
（一）无线抄表技术
1. Zigbee无线通信技术
ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：
（1）低功耗
这是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及采用了休眠机制，ZigBee终端仅需要两节普通的五号干电池就可以工作六个月到两年。
（2）低成本
协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。
（3）时延短
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合。
（4）传输范围小
在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为10-75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。
2. GPRS无线通信技术
GPRS的英文全称为General Packet Radio Service，中文含义为通用分组无线服务，它是利“包交换”（Packet-Switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓的包交换就是将Data封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式。GPRS有以下优点： （1）瞬间上网
一般只需要2-3秒的时间马上就能登录至互联网。
（2）永远在线
GPRS由于使用了“分组”的技术，用户上网可以免受断线的痛苦，因为GPRS是“永远在线”，随时与移动GPRS网络保持联系。
（3）快速传输
GPRS采用分组交换的技术，实际传输速率一般为56Kbps左右。
（4）按量计费
GPRS技术是一种面向非连接的技术，用户只有在真正收发数据时才需要保持与网络的连接，因此大大提高了无线资源的利用率，并且按流量计费，迅速降低了服务成本。
（二）无线燃气计量抄表系统
1.无线抄表系统组成
燃气表无线抄表系统由无线（Zigbee）远传燃气计量表、采集器、GPRS集中器、数据服务器、工作站、手持抄表器等设备组成。
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。
GPRS集中器：集中器收集其无线通讯范围内的各采集器中的数据，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）。
2.无线燃气表及抄表系统的技术特点
（1）无线自动路由技术
自动路由就是每个表和每个采集器本身是信号中转站，可以转发数据。因此不需要每个表、每个采集器的信号发射能力很强，也不需要每个表、每个采集器的信号接收能力很灵敏，也不担心表是否装在钢筋混凝土的小屋里或地井里。这些技术是：表与表之间的信号是自动路由的，同时采集器与采集器之间也是自动路由。从而有效地保证了100%的抄收率。
（2）无线频率自动校准技术
无线网络通讯频率自动校准技术是利用网络中各设备的交互通讯，实现频率的自动校准，集中器以广播形式周期发送标准频率的无线信号，其他设备对接收到的标准频率信号进行评估，并和自身频率进行对比，自动调整频率差，使系统设备的通信频率始终保持一致。并且，各设备电子单元采用环境感知电路设计，能够根据周围环境温湿度的变化自动调整运行参数，使电子单元保持最佳性能，并结合电子单元的低噪放大電路设计，实现超高的信号接收灵敏度，不需要提高设备的发射功率，就可以成倍增加网络信号覆盖范围。
（3）WOR 无线电唤醒技术
WOR（Wake On Radio）指不需要单片机参与，无线收发模块自动周期性监听来自外界的无线电唤醒信号，一旦获取有效信号即产生中断唤醒单片机进入通讯处理程序。提高了抄表响应速度，减少了电池能量的消耗。
（4）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。
结语：
无线抄表系统的应用有效解决了燃气公司抄表中遇到的一些问题，尤其是解决了抄表进户难，为抄表工作及用户用气安全、监管管理带来了极大的便利，同时避免了由于不能进户见表需要估抄和自抄的情况，使原本由于估抄和自抄造成的“消费存量”变成了实实在在的销售量。无线抄表的运用也提高了工作效率，抄表人员无需上楼进户即可完成抄表工作，这也是传统抄表方式所无法完成的。无线抄表在技术上已经成熟，易于实现，数据传输速率高，可靠性高，采用相应的信道编码技术，可使抄收率和数据可用率达到两个100%。而且相比传统的有线抄表方式，具有便于安装维护，应用灵活，具备很强扩展能力等优点，该项技术的应用前景将十分广阔，为目前抄表系统的主要发展方向。
参考文献：
[1] 党彦博.基于GPRS及Zigbee无线传感器网络技术的远程监控系统的研究与应用[D].上海大学，2008.
[2] 任晓军，宋丽娜.Zigbee技术在远程无线自动电抄表系统中的应用前景[J].山西大同大学学报，2008，24（5）.
作者简介：姚刚（1972.01- ），男，汉族，天津人，天津滨海旅游区燃气投资发展有限公司，研究方向：工程技术管理。
【关键词】无线抄表系统；无线自动路由；Zigbee；GPRS；抄收率
1.传统的抄表收费模式
采用“先用气，后付款”的管理模式，抄表收费工作都是纯手工进行、账本记录。燃气公司抄表人员每月入户抄录用户的煤气表指数，计算用户使用的煤气量，并收取煤气费。
由于大多数燃气公司采用的是定期人工抄表的方式，而我国居民住宅的燃气表大多安装在室内，随着管道燃气用户的增多，这种方式存在的弊端日益凸显：
（1）工作效率低、劳动强度大。
（2）入户抄表既给用户带来不便，也因入户难给燃气公司抄表收费带来困难且一些用户因此拖欠燃气费。
（3）现金收取的不便以及现金携带的不安全性。
（4）人工抄表、手工记账、现金收取，数据易出错，账本不易保存，出现错误不易查找。
2、自动抄表技术的发展现状
自动抄表技术在20世纪80年代中期诞生于美国，而在90年代初国内开始有厂商研发自动抄表技术。近几年，随着国内居民生活水平的提高及对住宅小区智能化管理的发展要求，自动抄表技术在国内的得到了迅速发展。自动抄表系统是将小区内用户的水、电、气等其他仪表的使用量通过传输媒体（有线、低压电力载波、无线等信道）实现的数据集中采集、处理、存储和管理的系统。在自动抄表系统中，数据的正确采集和有效传输是要解决的关键问题。随着自动抄表系统性能的不断完善和价格的降低。该系统将在国内迅速推广，目前的抄表技术主要有：有线抄表、电力载波、无线抄表。
3、无线抄表系统与有线抄表系统的对比
3.1成本低廉
有线通讯方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力和物力；而无线数据传输方式无需架设电缆或挖掘电缆沟，节省了人力物力，投资是相当节省的。
3.2建设周期短
当要把成千上万户居民计量表相互连接通讯时，采用有线的方式必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟（尤其是对于边远地方的计量表），这个工程周期可能就需要数个月的时间。而用无线通讯方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速建起通信链路，工程周期大大缩短。
3.3适应性好
有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境时，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力。而用无线通讯方式将不受这些限制，所以说无线通讯方式比有线方式有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。
3.4扩展性好
在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新的计量点，如果采用有线方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路。而采用无线通讯方式，相比之下有更好的扩展性。
3.5设备维护上更容易实现
有線通讯链路的维护需要沿线路检查，出故障时，一般很难及时找出故障点。而采用无线通讯方式无需检查线路，出现故障时则能快速找出原因，恢复系统正常运行。
4、无线抄表系统与电力载波抄表的对比：
电力载波式，载波式的优点是借用电力线作通讯线省去布线的麻烦，是抄表技术的一个很好的思路。缺点是：可靠性差，通讯不稳定，由于低压电力线本身的介质、结构和负荷的影响，载波信号易受干扰。另外，电力载波抄表系统国家只允许在指定的试点地区做电表远程抄表试验，还没有应用到水表和气表抄表系统中，水表和气表必须将信号传输到采用电力载波通讯的采集设备上，也就是说：对水表和气表而言，没有解决连线的问题。电力载波通讯方式和电话线调制、以太网调制、无线传输等方式相比，灵活性、稳定性要差得多，目前电力载波最大的屏障体现在通讯成功率上。
（一）无线抄表技术
1. Zigbee无线通信技术
ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：
（1）低功耗
这是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及采用了休眠机制，ZigBee终端仅需要两节普通的五号干电池就可以工作六个月到两年。
（2）低成本
协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。
（3）时延短
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合。
（4）传输范围小
在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为10-75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。
2. GPRS无线通信技术
GPRS的英文全称为General Packet Radio Service，中文含义为通用分组无线服务，它是利“包交换”（Packet-Switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓的包交换就是将Data封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式。GPRS有以下优点： （1）瞬间上网
一般只需要2-3秒的时间马上就能登录至互联网。
（2）永远在线
GPRS由于使用了“分组”的技术，用户上网可以免受断线的痛苦，因为GPRS是“永远在线”，随时与移动GPRS网络保持联系。
（3）快速传输
GPRS采用分组交换的技术，实际传输速率一般为56Kbps左右。
（4）按量计费
GPRS技术是一种面向非连接的技术，用户只有在真正收发数据时才需要保持与网络的连接，因此大大提高了无线资源的利用率，并且按流量计费，迅速降低了服务成本。
（二）无线燃气计量抄表系统
1.无线抄表系统组成
燃气表无线抄表系统由无线（Zigbee）远传燃气计量表、采集器、GPRS集中器、数据服务器、工作站、手持抄表器等设备组成。
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。
GPRS集中器：集中器收集其无线通讯范围内的各采集器中的数据，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）。
2.无线燃气表及抄表系统的技术特点
（1）无线自动路由技术
自动路由就是每个表和每个采集器本身是信号中转站，可以转发数据。因此不需要每个表、每个采集器的信号发射能力很强，也不需要每个表、每个采集器的信号接收能力很灵敏，也不担心表是否装在钢筋混凝土的小屋里或地井里。这些技术是：表与表之间的信号是自动路由的，同时采集器与采集器之间也是自动路由。从而有效地保证了100%的抄收率。
（2）无线频率自动校准技术
无线网络通讯频率自动校准技术是利用网络中各设备的交互通讯，实现频率的自动校准，集中器以广播形式周期发送标准频率的无线信号，其他设备对接收到的标准频率信号进行评估，并和自身频率进行对比，自动调整频率差，使系统设备的通信频率始终保持一致。并且，各设备电子单元采用环境感知电路设计，能够根据周围环境温湿度的变化自动调整运行参数，使电子单元保持最佳性能，并结合电子单元的低噪放大電路设计，实现超高的信号接收灵敏度，不需要提高设备的发射功率，就可以成倍增加网络信号覆盖范围。
（3）WOR 无线电唤醒技术
WOR（Wake On Radio）指不需要单片机参与，无线收发模块自动周期性监听来自外界的无线电唤醒信号，一旦获取有效信号即产生中断唤醒单片机进入通讯处理程序。提高了抄表响应速度，减少了电池能量的消耗。
（4）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。
结语：
无线抄表系统的应用有效解决了燃气公司抄表中遇到的一些问题，尤其是解决了抄表进户难，为抄表工作及用户用气安全、监管管理带来了极大的便利，同时避免了由于不能进户见表需要估抄和自抄的情况，使原本由于估抄和自抄造成的“消费存量”变成了实实在在的销售量。无线抄表的运用也提高了工作效率，抄表人员无需上楼进户即可完成抄表工作，这也是传统抄表方式所无法完成的。无线抄表在技术上已经成熟，易于实现，数据传输速率高，可靠性高，采用相应的信道编码技术，可使抄收率和数据可用率达到两个100%。而且相比传统的有线抄表方式，具有便于安装维护，应用灵活，具备很强扩展能力等优点，该项技术的应用前景将十分广阔，为目前抄表系统的主要发展方向。
参考文献：
[1] 党彦博.基于GPRS及Zigbee无线传感器网络技术的远程监控系统的研究与应用[D].上海大学，2008.
[2] 任晓军，宋丽娜.Zigbee技术在远程无线自动电抄表系统中的应用前景[J].山西大同大学学报，2008，24（5）.
作者简介：姚刚（1972.01- ），男，汉族，天津人，天津滨海旅游区燃气投资发展有限公司，研究方向：工程技术管理。