CN110519328A - 一种自供电无线感知燃气表系统 - Google Patents

一种自供电无线感知燃气表系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自供电无线感知燃气表系统，包括无线携能通信模块、燃气表和云端服务器。本发明采用无线自供电与锂电池相结合的方式，使得智能燃气表工作时间更长，省去了频繁更换电池的麻烦；采用轻量级的数据加密方法，提高了整个系统中需要传输的数据的安全性及可靠性；以及采用全向环形无线设计，可同时接收360°各个方向的能量及数据，使得在无线携能通信模块整体小型化更适合安装在智能燃气表上的情况下保证接收的能量效率。

Description

一种自供电无线感知燃气表系统
技术领域
本发明属于智能燃气表领域，特别涉及一种采用无线自供电的方式实现燃气计量通信的自供电无线感知燃气表系统。
背景技术
天然气因其低碳、环保的特征被发达国家作为清洁能源的主要替代品，其已成为世界上发展潜力最大的能源。天然气主要通过管道运输至各个家庭、商场、加气站等场所，这一过程由燃气运营商来完成，燃气表则是燃气使用量计量和收费的依据。随着D2D技术，“工业4.0”和国家“互联网+”行动计划的提出，物联网、云计算与大数据等新一代信息技术逐步融合到了一起，使人类的生产、生活和社会活动通过无处不在的网络联系在一起。物联网是继计算机、互联网之后信息技术的第三次革命，受到世界各国政府、企业和学术界的高度重视。将燃气管网、抄表等数据与其他业务数据整合分析，提升燃气企业的运营管理效率与客户服务水平，使燃气管网运行全面智能化已成为发展趋势。基于此，智能燃气表比例在持续攀升。目前我国正处于传统膜式燃气表向智能燃气表的转换阶段，国内待替换的传统机械燃气表6000万台，IC卡燃气表4000万台，存量改造市场仍然很大。
众所周知，燃气表主要安装在楼道内、室内、地下甚至窑洞里，安装环境相对复杂，因此日常维护面临许多困难，例如数据安全、表具功耗等。一方面，燃气表的计量数据作为企业的收费依据，不能被篡改甚至丢失，故数据安全性是燃气抄表技术中需要重点考虑的因素之一。然而许多燃气公司使用非授权频段自己组建网络，没有专业的网络管理能力，导致网络系统的抗干扰能力较弱，稳定性很差，业务数据很容易受到攻击。另一方面，功耗是燃气表需要关注的重点，很多燃气表安装到用户家里，如果智能燃气表功耗太大，将给燃气行业带来巨大的电池更换成本、管理成本。随着国家对新型清洁能源使用的倡导，传统锂电池的使用也必定会越来越少，如何替代传统锂电池给智能燃气表提供能源是当前亟需解决的问题。
此外，虽然市面上有许多无线自供电技术的设备装置，但其体型较大，不适合安装于智能燃气表上。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明设计了一种采用无线自供电的方式实现燃气计量通信的自供电无线感知燃气表系统，其采用无线自供电与锂电池相结合的方式，使得智能燃气表工作时间更长，省去了频繁更换电池的麻烦；采用轻量级的数据加密方法，提高了整个系统中需要传输的数据的安全性及可靠性；以及采用全向环形无线设计，可同时接收360°各个方向的能量及数据，使得在无线携能通信模块整体小型化更适合安装在智能燃气表上的情况下保证接收的能量效率。
根据本发明的一方面，提供了一种自供电无线感知燃气表系统，包括无线携能通信模块、燃气表和云端服务器，
-所述无线携能通信模块包括谐振式天线、功率分流器、能量采集单元和通信单元，所述无线携能通信模块利用谐振式天线接收无线载波信号，通过功率分流器将接收到的无线载波信号分成两部分，一部分信号用于能量采集单元以实现对燃气表的无线供电，另一部分信号用于通信单元以分别实现与燃气表和无线传感设备的信息数据交互；
-所述燃气表包括低功耗微控制器以及与所述低功耗微控制器相连的NB-IoT模块及多个接口模块，所述低功耗微控制器用于接收多个接口模块和无线携能通信模块的通信单元发送的数据，并通过轻量级数据加密算法对接收的数据进行实时加密，然后通过NB-IoT模块将加密数据发送到云端服务器；以及，所述低功耗微控制器接收云端服务器通过NB-IoT模块发回的数据并对其进行解析，然后向多个接口模块和无线携能通信模块的通信单元下发控制指令，无线携能通信模块的通信单元将接收到的控制指令发送至无线传感设备，
所述说个接口模块包括备用电源模块、计量模块、阀门控制模块和IC卡槽，所述备用电源模块用于在无线载波信号较弱时为燃气表供电，所述计量模块用于实现燃气的计量，所述阀门控制模块用于控制燃气表的阀门打开或关闭，所述IC卡槽用于与外部IC卡实现数据交互。
在一些实施方式中，所述无线携能通信模块的能量采集单元可以包括依次相连的带通滤波器、整流电路、低通滤波器和储能电容。
在一些实施方式中，所述轻量级数据加密算法可以包括步骤：利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥对m个明文块逐块加密以得到相应的m个密文块；利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥的前n个字节与剩余的n个字节的明文块异或，得到n个字节的尾密文；依次将密文块与尾密文合并，得到与明文长度相等的密文。
在一些实施方式中，无线载波信号的频率可以包括50Hz、900MHz、950MHz、1800MHz、1900MHz、2.4GHz、2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz、5GHz。
在一些实施方式中，所述多个接口模块还可以包括警报接口，当低功耗微控制器探测到危害用气安全的信息时，通过报警接口发送报警信息到外部报警器。
在一些实施方式中，所述多个接口模块还可以包括蜂鸣器，所述蜂鸣器用于发出蜂鸣声来提示用户当前操作燃气表的状态。
在一些实施方式中，所述多个接口模块还可以包括显示屏，所述显示屏用于显示当前燃气表的系统时间、系统错误状态、用气信息、用户信息、燃气单价等信息。
在一些实施方式中，所述谐振式天线可以为谐振式全向环形天线。
在一些实施方式中，所述无线传感设备可以包括烟感器。
在一些实施方式中，所述电源模块可以包括锂电池。
在一些实施方式中，所述计量模块可以包括干簧管和霍尔传感器。
本发明的有益效果：
1)采用无线自供电与锂电池相结合的方式，使得智能燃气表工作时间更长，省去了频繁更换电池的麻烦。
2)采用无线携能通信的方式，在无线供电的同时可以进行无线数据传输，能够实现智能燃气表与无线传感设备的无线联动；此外，利用无线链路，可以实现数字信号传输，从而可利用对终端专用调试设备(例如遥控器)对智能燃气表进行出厂配置。
3)采用轻量级的数据加密方法，提高了整个系统中需要传输的数据的安全性及可靠性。
4)无线传能接收天线全向环形设计，可同时接收360°各个方向的能量及数据，使得在无线携能通信模块整体小型化以更适合安装在智能燃气表上的情况下，保证接收的能量效率。
5)与烟感器进行无线联动，烟感报警即可关闭燃气表，安全更有保障。
6)采用谐振式的载波通信方式，信息传输率更高。
7)无线供能及信息传输模块采用模块化设计，可以直接应用于其他低功耗传感器节点。
附图说明
图1为本发明一实施例的自供电感知燃气表系统的结构框图；
图2为本发明的无线携能模块的结构框图；
图3为本发明的轻量级数据加密方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明的自供电无线感知燃气表系统，包括无线携能通信模块、燃气表和云端服务器。
如图2所示，无线携能通信模块包括谐振式全向环形天线、功率分流器、能量采集单元和通信单元，其中，能量采集单元包括依次相连的带通滤波器、整流电路、低通滤波器和储能电容。无线携能通信模块利用谐振式全向环形天线接收360°各个方向的无线载波信号，通过功率分流器将接收到的无线载波信号分成两部分。一部分信号用于能量采集单元以实现对燃气表的无线供电，另一部分信号用于通信单元以分别实现与燃气表和无线传感设备的信息数据交互。在本实例中，无线传感设备包括烟感器。
在能量采集回路，带通滤波器确保天线能够正确地匹配到整流电路，以便由整流元件产生的谐波不会辐射到环境。整流电路通常包含二极管和电容器。最后，输出滤波器消除谐波频率，为系统存储能量。
如图1所示，燃气表包括低功耗微控制器以及与所述低功耗微控制器相连的NB-IoT模块和包括备用电源模块、计量模块、阀门控制模块、IC卡槽、阀门控制模块、警报接口、显示屏和蜂鸣器的多个接口模块。应该理解，本领域技术人员根据需要还可以设置其他接口模块。
其中，NB-IoT模块用于实现燃气表与物联网云端服务器的数据交互。
备用电源模块用于在无线载波信号较弱时为燃气表供电，优选地，该备用电源模块包括传统锂电池。
计量模块用于实现燃气的计量，在本实施中，计量模块包括干簧管和霍尔传感器。
阀门控制模块用于控制燃气表的阀门打开或关闭。
IC卡槽用于与外部IC卡实现一部分数据交互。
警报接口用于使燃气表与外部警报器连接，当低功耗微控制器探测到危害用气安全的信息时，例如接收到烟感发送的报警信息或计量模块计量异常(有漏气的可能性)等，通过报警接口发送报警信息到外部报警器。
显示屏用于显示当前燃气表的系统时间、系统错误状态、用气信息、用户信息、燃气单价等信息。
蜂鸣器用于发出蜂鸣声来提示用户当前操作燃气表的状态。
下面通过本发明的工作流程来进一步说明本发明。
首先，无线携能通信模块利用谐振式全向环形天线接收360°各个方向的无线载波信号，为智能燃气表提供能量。特别地，无线载波信号的频率可以包括50Hz，900MHz，950MHz，1800MHz，1900MHz，2.4GHz，2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz、5GHz等常用的无线载波频率。
其次，低功耗微控制器接收上述多个接口模块和无线携能通信模块的通信单元发送的数据，并通过轻量级数据加密算法对接收的信息数据进行实时加密，然后通过NB-IoT模块将加密数据发送到云端服务器；以及，低功耗微控制器接收云端服务器通过NB-IoT模块发回的信息数据并对其进行解析，然后向上述多个接口模块和无线携能通信模块的通信单元下发控制指令。例如，在本实施例中，无线携能通信模块的通信单元与烟感器信息交互，实现报警联动，当烟感器检测到火灾时，无线携能通信模块的通信单元接收到烟感发送的报警信息，将其发送至低功耗微控制器，低功耗微控制器将报警信息与其他信息数据进行实时加密后，通过NB-IoT模块发送到云端服务器，之后接收云端服务器通过NB-IoT模块发回的信息数据并对其进行解析，然后向阀门控制单元下发控制指令，控制燃气表阀门关闭。
特别地，本发明采用嵌入式低功耗微控制器，经过对内部代码的优化实现了整个系统的超低功耗运行，其功率约：6V，0.1mA。
在本发明中，为提高数据的安全性，还设计了一种智能燃气表专用的轻量级数据加密方法，对整个系统中需要传输的数据进行加密。如图3所示，对明文数据加密时，利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥对m个明文块逐块加密以得到相应的m个密文块；利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥的前n个字节与剩余的n个字节的明文块异或即可得到n个字节的尾密文。最后，依次将密文块与尾密文合并以得到与明文长度相等的密文。
本发明的自供电无线感知燃气表系统，采用无线自供电与锂电池相结合的方式，使得智能燃气表工作时间更长，省去了频繁更换电池的麻烦；采用轻量级的数据加密方法，提高了整个系统中需要传输的数据的安全性及可靠性；以及采用全向环形无线设计，可同时接收360°各个方向的能量及数据，使得在无线携能通信模块整体小型化更适合安装在智能燃气表上的情况下保证接收的能量效率。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自供电无线感知燃气表系统，其特征在于，包括无线携能通信模块、燃气表和云端服务器，
所述无线携能通信模块包括谐振式天线、功率分流器、能量采集单元和通信单元，所述无线携能通信模块利用谐振式天线接收无线载波信号，通过功率分流器将接收到的信号分成两部分，一部分信号用于能量采集单元以实现对燃气表的无线供电，另一部分信号用于通信单元以分别实现与燃气表和无线传感设备的信息数据交互；
所述燃气表包括低功耗微控制器以及与所述低功耗微控制器相连的NB-IoT模块及多个接口模块，所述低功耗微控制器用于接收多个接口模块和无线携能通信模块的通信单元发送的数据，并通过轻量级数据加密算法对接收的数据进行实时加密，然后通过NB-IoT模块将加密数据发送到云端服务器；以及，所述低功耗微控制器接收云端服务器通过NB-IoT模块发回的数据并对其进行解析，然后向多个接口模块和无线携能通信模块的通信单元下发控制指令，无线携能通信模块的通信单元将接收到的控制指令发送至无线传感设备；
所述多个接口模块包括备用电源模块、计量模块、阀门控制模块和IC卡槽，所述备用电源模块用于在无线载波信号较弱时为燃气表供电，所述计量模块用于实现燃气的计量，所述阀门控制模块用于控制燃气表的阀门打开或关闭，所述IC卡槽用于与外部IC卡实现数据交互。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线携能通信模块的能量采集单元包括依次相连的带通滤波器、整流电路、低通滤波器和储能电容。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述轻量级数据加密算法包括步骤：利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥对m个明文块逐块加密以得到相应的m个密文块；利用混沌密钥生成系统产生的种子密钥的前n个字节与剩余的n个字节的明文块异或，得到n个字节的尾密文；依次将密文块与尾密文合并，得到与明文长度相等的密文。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，无线载波信号的频率包括50Hz、900MHz、950MHz、1800MHz、1900MHz、2.4GHz、2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz、5GHz。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述多个接口模块还包括警报接口，当低功耗微控制器探测到危害用气安全的信息时，通过报警接口发送报警信息到外部报警器。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述多个接口模块还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器用于发出蜂鸣声来提示用户当前操作燃气表的状态。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述多个接口模块还包括显示屏，所述显示屏用于显示当前燃气表的系统时间、系统错误状态、用气信息、用户信息、燃气单价。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述谐振式天线为谐振式全向环形天线。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述无线传感设备包括烟感器。
10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电源模块包括锂电池，所述计量模块包括干簧管和霍尔传感器。
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