作者：邵泽华，魏小军
第一作者单位：成都秦川科技发展有限公司
摘自《煤气与热力》年10月刊
1智能燃气表无线通信技术的现状
智能燃气表的远程通信技术包括有线通信技术和无线通信技术［1-2］。有线通信技术（包括电力线载波、LANWORKS总线、RS总线、专用电缆、远程拨号等）需要排布缆线，在特殊的地理环境下（如建筑楼层高、房屋密集、布线障碍物多等）进行缆线的布置和维护比较困难，因此有线通信技术局限性较大，目前已基本被淘汰。随着无线通信技术不断进步，其在智能燃气表的远程通信中逐渐得到使用和广泛推广，使得燃气表远程通信更加方便、快捷，为智能燃气表的管理和服务提供了更多便利。
目前智能燃气表的远程无线通信一般是采用中继器、集中器作为采集设备来实现，即：燃气表→中继器→集中器→公网，也可以用电能表作为中继器进行远程通信，即：燃气表→电能表→集中器→公网，这种通信方式在欧洲国家已经得到应用。智能燃气表以有线电话通信为主的日本也开始研究并推广一种利用无线网络通信的“无所不在的抄表系统”（UbiquitousMeteringSystem，UMS），由于日本智能燃气表的无线通信环境较差，这种通信方式目前还正在研究和推广中，未得到广泛使用。
我国人口密度高、分布广、布局复杂、用户需求复杂，对智能燃气表的无线通信提出了更高的要求，各智能燃气表厂家和燃气公司对此进行了大量的研究，推出了多种无线通信方式的产品，GPRS通信技术便是其中之一。GPRS通信是在智能燃气表表端装有GPRS通信模块，利用现有的移动、电信或联通的基站、公网等公共通信资源进行通信，其数据传输过程是燃气表→公网。
2GPRS通信技术的特点
GPRS通信包括GPRS流量通信和GPRS短信通信两种。GPRS流量通信是现有GSM网络由第二代向第三代移动通信演变的过渡技术。GPRS流量通信主要采用分组交换技术，实现数据分组发送和接收，资源被有效利用，数据传输速率高达kb/s。GPRS流量通信技术适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS短信通信（SMS）具有使用方便、信息传递准确及时、存储转发离线通信等优点［3］。
GPRS通信技术的特点在于：传输速率快，传输距离远，组网简单，但是受基站覆盖范围的限制，在通信条件差的地方信号比较弱，存在通信死角。
3GPRS通信模块
①不同GPRS通信模块的特点
随着无线通信网络从2G到3G，再发展到4G，其对应的2G、3G和4G的GPRS通信模块的价格、通信速率和网络覆盖率等特点也各不相同，具体见表1。
表1不同GPRS通信模块的特点
②GPRS通信模块的性能参数
我们对GPRS通信模块的性能参数进行测试，主要测试了GPRS通信模块在不同工作状态下的电流，包括关机（供电条件下）、睡眠、飞行模式、待机、语音通话、GPRS数据传输等状态下的工作电流以及TX电流尖峰，工作电流每个指标测试5次，取平均值。其中GPRS数据传输电流测试是在GSM频段下，分别选取芯片PCL53Rx2Tx、PCL54Rx1Tx、PCLRx1Tx，以及在DCS频段下，分别选取芯片PCL03Rx2Tx、PCL04Rx1Tx、PCLRx1Tx进行测试的。TX电流尖峰是在GSM频段下选取芯片PCL5，以及在DCS频段下选取芯片PCL0进行测试的，具体测试结果见表2。
a.在供电条件下的关机状态下，平均电流为0.25mA，是智能燃气表静态电流上限值50μA的5倍，因此用于智能燃气表时一般采用断电模式的关机状态。
b.睡眠是指开机低功耗状态，网络活动持续，通信口响应慢，当采用软件唤醒方式通信时的状态。睡眠电流是最小工作电流，但此值远大于智能燃气表静态电流上限值，是该值（50μA）的36倍，因此智能燃气表一般不采用软件唤醒方式。
c.飞行模式是指模块开机，但关闭网络活动，智能燃气表一般不采用。
d.待机指模块开机后的正常状态，可以进行通信，智能燃气表处于这个状态的时间要尽可能短，以满足低功耗的要求。
e.语音通话指语音通话连接中，智能燃气表一般不采用。
表2GPRS通信模块的性能参数数据mA
f.GPRS数据传输是智能燃气表实现远距离通信的必要过程。
g.TX电流尖峰高达2.0A，要在智能燃气表上使用，应确保达到防爆的要求。
从表2可以看出：GPRS通信模块通信的关机（供电条件下）电流为0.mA，电流尖峰为2.0A，GPRS数据传输电流为mA左右，睡眠电流为1.8mA。
③GPRS通信模块的通信方式
GPRS通信的智能燃气表表端装有GPRS通信模块，为节约功耗，一般通过唤醒GPRS通信模块进行通信。表端GPRS通信模块的唤醒方式一般有两种：软件唤醒方式和断电定时重启方式。
a.软件唤醒方式
软件唤醒方式是当有通信需要时，通过燃气表表端的唤醒程序将GPRS通信模块唤醒，进入通信状态，通信完毕后一段时间，GPRS通信模块自动重新进入睡眠状态，等待下次有通信需要时再重新唤醒。GPRS通信模块具体的工作流程为：“睡眠→唤醒→活动→待机→睡眠”→“睡眠→唤醒→活动→待机→睡眠”→……
这种唤醒方式睡眠电流达到1.8mA，电流大，功耗大，电池寿命短，智能燃气表一般不采用这种唤醒方式。
b.断电定时重启方式
GPRS通信模块用于智能燃气表时一般采用断电模式的关机方式。这是由于在供电关机状态下的工作电流约为0.25mA，是智能燃气表静态电流上限值50μA的5倍。智能燃气表采用断电定时重启方式。
断电定时重启方式是表端的GPRS通信模块在不进行通信时处于断电关机状态，每隔一定时间，GPRS通信模块会被自动唤醒，检测表端是否有通信数据需要发送或接收，若有则发送或接收数据，通信完毕后自动进入待机状态进而断电关机；若没有通信数据，则一定时间后进入待机状态进而断电关机，等待固定的间隔时间后，表端GPRS通信模块被重新唤醒。断电定时重启方式的流程为：“通电→开机→搜索网络→注册网络→建立连接→待机→活动→待机→断电→关机”→“通电→开机→搜索网络→注册网络→建立连接→待机→活动→待机→断电→关机”→……
这种工作模式的GPRS通信模块平时处于断电关机状态，处于开机状态时间太短，绝大部分时间与网络脱离，无法进行有效管理。
采用断电定时重启方式，燃气公司无法通过系统对表端进行主动控制。
4GPRS通信的网络结构
智能燃气表采用GPRS通信模块和基站进行通信，表端采集到的信号经过表端的GPRS通信模块发射，将表端的信息发送到基站，基站接收到GPRS信号，如果是GPRS流量通信，信息经过通信运营商服务器接入Internet，最后接入燃气公司管理系统，从而实现燃气管理系统与表端的信息交互。如果是GPRS短信通信，信息由基站传送至通信运营商服务器后，通过通信运营商网络传送至燃气公司管理系统，实现燃气公司管理系统与表端的信息交互。GPRS通信的网络结构见图1。
图1GPRS通信的网络结构
5智能燃气表GPRS通信技术的特点
GPRS通信技术应用于智能燃气表的远程通信，具有如下优点：
①在GPRS通信模块进入活动状态下进行通信时，数据准确性高。
②网络结构简单，维护量小。
③远程数据收集为燃气供销差和用气数据预测提供了依据。
④用户可以通过便利店、网上银行进行实时充值，为用户提供了方便。
⑤进行远程开关阀，保障燃气公司远程收费。
由于GPRS通信技术本身的特点以及燃气表的特殊性，GPRS通信技术应用于智能燃气表上仍存在很大的局限性：
①现在燃气表使用的SIM卡都是2G卡，2G的基站正在世界范围内逐步停止使用。当2G基站停止使用时，燃气表就要更换SIM卡，而燃气表的SIM卡是固化在电路板上，无法进行更换，这会导致用户或燃气公司支付换表费用。
②在GSM/GPRS网络覆盖不到或出现通信死角的区域，要么无法使用，要么需增设中继放大器，但是增设中继放大器会造成很大的辐射。
③采用断电定时重启方式时，通信模块处于开机状态时间太短，绝大部分时间与网络脱离，无法对燃气表进行有效管理。
④采用软件唤醒方式时，功耗大，电池寿命短。
⑤没有物联网的网关，燃气表的信息安全得不到保证。
⑥阀控不可靠，关阀不可靠导致泄漏量大，开关阀电流大。
⑦目前GPRS短信通信技术的基本模式为定时通过短信方式发送数据到服务器，不能做到良好的实时性。
⑧电气安全性能差，无法保证通信安全和用户安全。
6智能燃气表GPRS通信技术的电气安全性
6.1智能燃气表无线通信的标准规范
GPRS通信技术应用在智能燃气表上，除了实时性差、信号不稳定、信息安全得不到保证等不足以外，最重要的是GPRS通信在电气安全方面无法满足燃气表通信相关标准的要求，安全风险较高。
①GB/T—《膜式燃气表》附录C中C.3.1.1.1规定，燃气表如果采用电池供电，静态电流不应大于50μA，最大工作电流不大于mA。
②《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》（信部无［5］号）专门对民用无线电计量仪表的无线通信功率作出规定，～MHz频段可作为民用无线电计量仪表使用频段，并规定发射功率限值为50mW。
③《生产无线电发射设备的管理规定》（无管［］第12号）第四条规定：生产无线电发射设备，均须经国家无线电管理委员会办公室对其发射特性进行型号核准，核发“无线电发射设备型号核准证”和型号核准代码。出厂设备的标牌上须标明型号核准代码。
④《中华人民共和国电信条例》第五十四条和第五十六条规定：接入公用电信网的电信终端设备、无线电通信设备和涉及网间互联的设备，必须符合国家规定的标准并取得进网许可证。电信设备生产企业应当在其生产的获得进网许可的电信设备上粘贴进网许可标志。
6.2智能燃气表GPRS通信技术的电气安全
GPRS通信技术的电气安全性能指标远远超出了以上标准的限值，具体如下：
①GPRS通信的静态电流很大，不符合GB/T—《膜式燃气表》中静态电流不应大于50μA的要求。
②GPRS通信的电流尖峰高达2A，远远超出了GB/T—《膜式燃气表》中最大工作电流不大于mA的要求。工作电流较大，易烧毁电子元器件，若此时有燃气泄漏，可能导致爆炸。
③不符合国家关于民用无线电计量仪表使用频段和发射功率限值的有关规定。GPRS通信是基于GSM网络通信的，GSM的通信频率为MHz，发射功率为2W，这不符合《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》（信部无［5］号）中规定的～MHz和50mW的限值要求，安全风险较高。
④无法获得无线电发射设备型号核准证。使用无线通信的燃气表，必须按照国家无线电管理委员会和国家质监总局的规定办理无线电发射设备型号核准证，其使用频段和发射功率限值应分别符合《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》中规定的～MHz和50mW限值要求。GPRS通信的燃气表的通信频率和发射功率均不符合上述规定，故无法获得无线电发射设备型号核准证。
⑤无法获得电信设备进网许可证。使用无线通信的燃气表，必须符合国家相应标准并取得进网许可证，办理进网许可证必须提供无线电发射设备型号核准证，GPRS通信的燃气表无法获得无线电发射设备型号核准证，因此也无法获得电信设备进网许可证。
⑥短信通信会产生高频电磁辐射，能使接收无线电的天线感生射频电流。当射频电流在金属导体间环流时，遇到锈蚀部分或接触不良就会产生射频火花，若此时有燃气泄漏，产生的射频火花可能导致爆炸。国内加气站和加油站都禁止使用手机通话就是这个道理，同理在智能燃气表上安装通信模块也是不安全的。
总之，智能燃气表与其他的计量仪表不同，由于计量对象天然气具有易燃易爆特性，因此对电气安全的要求较高。GPRS通信方式由于其本身的通信特点，工作电流和发射功率较大，远远超出了燃气表的技术标准要求，存在很大安全隐患。
与智能燃气表相比，水表和电能表对通信电气安全方面的要求较低，GPRS通信技术凭借其通信距离远、传输速率快、组网简单等优势，可以应用于水表和电能表的无线远程通信。
7结语
智能燃气表由于天然气具有易燃易爆性，对通信电流和功率要求较高，GPRS通信技术工作电流过大，且不符合国家相关标准的要求，不适用于燃气表的通信。希望能够开发出一种低功耗的通信模块，以适应燃气表的应用需求，这项技术还有待进一步研究。
参考文献：
［1］杨铮，姚金龙.燃气远传抄表系统无线信号出户解决方案［J］.煤气与热力，，33（8）：B33-B35.
［2］高立鸿，沈晓东，程喜兵.燃气远传抄表系统设备技术要求与安装方法［J］.煤气与热力，，33（1）：B24-B27.
［3］曾洪梅.GPRS系统原理及其实现［J］.移动通信，2，26（12）：40-42.
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