一種新型智能水表抄表系統(tǒng)

引言

隨著住宅單元化和高層化，供水企業(yè)的抄表工作面臨巨 大的挑戰(zhàn)，一方面人戶難，另一方面抄表工作量急劇上升。實 現(xiàn)水表數(shù)字化和抄表自動化，已成為供水企業(yè)亟待解決的難 題。當前水表自動抄表系統(tǒng)主要有三大類型：智能卡式、 有線自動抄表式、無線智能式。智能卡水表不實行抄表, 也無聯(lián)網(wǎng)，因此難以監(jiān)控把握供水的調(diào)度和均衡，制約了其 普及。有線自動抄表系統(tǒng)單純從技術(shù)上講較成熟，目前市場上 各抄表開發(fā)系統(tǒng)的公司多用此型，但該系統(tǒng)需要鋪設專門的 通信電纜，存在繁重的布線問題，維護困難，因此成本較高。 在無線智能式抄表系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過無線方式實現(xiàn)接收和發(fā) 送。此類水表無需敷設線路，維護與安裝方便，大多數(shù)使用 國際標準無線頻率和自制的專用通信協(xié)議叫隨著技術(shù)水平的 發(fā)展，智能水表已經(jīng)越來越多地走進千家萬戶，而在上述諸 多方案中，無線遠傳的方案正越來越多的受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

本文結(jié)合有線自動式與無線式抄表系統(tǒng)各自的優(yōu)點，設 計了一種新型智能水表抄表系統(tǒng)（Intelligent Water-meter Reading System，以下簡稱IWRS）。該系統(tǒng)由采集器采集底 層水表數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線技術(shù)實現(xiàn)采集器與小區(qū)集中器 間的數(shù)據(jù)通信，再利用電話網(wǎng)（以下簡稱PSTN）將集中器的 數(shù)據(jù)傳送給抄表中心的監(jiān)控服務器。采用PSTN進行集中器 與服務器間的數(shù)據(jù)傳輸，具有速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點， 非常適合合于水表抄表這樣采集點數(shù)量多、范圍廣、距離遠的 系統(tǒng)采用。同時，本文所提出的IWRS可實現(xiàn)多套水表數(shù)據(jù)的同步抄送，從而充分利用通信設備，節(jié)約成本。

1智能抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IWRS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。IWRS主要由智能水 表、多用戶共享采集器、小區(qū)集中器、主站服務器等4部分 構(gòu)成。每戶居民家設置一只智能水表，智能水表采集到的用水 量數(shù)據(jù)通過RS-485總線定期發(fā)送至采集器。采集器通過無 線ZigBee網(wǎng)絡與小區(qū)中心的集中器進行數(shù)據(jù)通信，小區(qū)集中 器的存在可以極大的拓寬該智能抄表系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域。利用 PSTN最終將系統(tǒng)服務器與分散于各物業(yè)小區(qū)的集中器連接, 形成1對〃的連接形式，實現(xiàn)集中器和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實時在 線連接。在設計過程中，IWRS主要分為四大模塊：智能水表 采集模塊、共享采集器模塊、小區(qū)集中器模塊以及ZigBee無 線模塊。

2智能水表采集模塊的設計

智能水表采集模塊采集數(shù)據(jù)的對象是普通機械式水表,本文采用光電傳感器進行水表用水量的監(jiān)測［6］,通過微處理器 （以下簡稱CPU）進行數(shù)據(jù)的處理及外部通信,其結(jié)構(gòu)框圖 如圖2所示。從圖2可以看出，整個采集模塊塊由光電傳感器、 脈沖整形電路、微處理器單元、看門狗芯片（X5045）、供電電源、 通信單元及穩(wěn)壓電路等組成。

本文采用流量監(jiān)測單元進行用戶用水量的監(jiān)測，水表計 數(shù)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動一圈，光電傳感器接收到一次激勵信號，并傳 送出一個計量脈沖，假設轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動一圈對應的流量為q m3, 則一個計量脈沖對應的流量也為q m3。根據(jù)此原理，可得用 戶用水量為：

式中，TQ 為一段時間間隔內(nèi)用戶的用水量，TN為一段時間 內(nèi)的脈沖累加數(shù)，q稱為基表系數(shù)。

計數(shù)脈沖經(jīng)過整形電路整形后送入微處理器芯片進行數(shù) 據(jù)的處理，CPU將采樣得到的計數(shù)脈沖進行實時累加，其計 數(shù)觸發(fā)采用中斷方式，即：來一個脈沖就觸發(fā)中斷一次，在中 斷服務程序中對內(nèi)部RAM的脈沖數(shù)增一。將累加值乘以基表 系數(shù)即得到累計流量值，再將累計流量值從十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換 成十進制數(shù)，然后進行從高到低的逐位拆分并轉(zhuǎn)換成ASCII 碼依次存放到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當通訊接口電路啟動有效通訊請求 時，CPU將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)從高到低依次串行送入通訊接 口電路的相關(guān)單元，完成數(shù)據(jù)的外傳通信。

整個采集模塊由DC-DC和穩(wěn)壓單元供電，DC-DC變換 器提供整個微處理器的電源，而穩(wěn)壓電路提供通信單元的光 耦隔離的電源。后端的共享采集器定時對每個智能水表的采 集模塊進行通信采集，采集數(shù)據(jù)包括用戶的用水量及相應信 息。前端采集塊掉電后，備用電源對微處理器進行供電，以 保證用水量的實時采集，避免不必要的損失。該采集模塊有 兩種工作狀態(tài)：空閑狀態(tài)和正常工作狀態(tài)，當相鄰兩個采集中 斷間隔時間超過規(guī)定時間時，模塊則進入空閑工作狀態(tài)。

3收據(jù)共享采集器模塊的設計

數(shù)據(jù)共享采集器由電源電路、微處理器、看門狗電路、 前向和后向通信接口電路及備用電源等組成，其原理簡圖如圖 3所示。主要電路功能如下：

3.1前向通信單元

該通信單元實現(xiàn)該采集器模塊和前端各用戶智能水表之 間的連接，采用RS-485總線與智能水表進行數(shù)據(jù)通信，其通 信方式為主從式總線結(jié)構(gòu)。

3.2后向通信單元

該通信單元是該采集器模塊與小區(qū)集中器之間的通信接 口電路，采用ZigBee無線網(wǎng)絡建立數(shù)據(jù)共享采集器與小區(qū)集 中器之間的通信。

3.3備用電源

本級備用電源的目的就是當本級出現(xiàn)掉電情況時，備用電 源能使微處理器繼續(xù)工作一段時間，以避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的 現(xiàn)象，特別是保證將匯集的數(shù)據(jù)存儲于E2PROM之中。

3.4定時電路

定時電路是由專門的定時芯片設計而成的，本文采用一 種多功能時鐘芯片PCF 8563［8］。其目的是觸發(fā)微處理器周期 性采集各用戶的用水量信息以及各水表的工作狀態(tài)信息。假設 該周期為十分鐘，則每隔十分鐘，采集器就會對各用戶水表進 行巡檢，并根據(jù)命令提供水表的相關(guān)數(shù)據(jù)。該定時電路的原 理簡圖如圖4所示。

該采集器作為智能水表和小區(qū)集中器之間的一個中間轉(zhuǎn) 換模塊，其主要作用：一是匯集各用戶智能水表采集得到的 各用戶用水量數(shù)據(jù)及相應信息，并保存各戶數(shù)據(jù)以備上一級調(diào) 用，同時周期性的檢測各智能水表的工作狀態(tài)，以及時發(fā)現(xiàn) 出現(xiàn)故障的智能水表，盡可能的減少供水企業(yè)的直接經(jīng)濟損 失；二是把匯集來的各用戶用水量數(shù)據(jù)和水表狀態(tài)通過通信 單元送往上一級，即小區(qū)集中器。

4 ZigBee無線模塊設計

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù) 速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它是一種介于無線標記 技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)方案。ZigBee技術(shù)可采用的拓撲模型 有星型、簇狀樹形和網(wǎng)格（Mesh）型［2］。主要用于近距離無 線連接，適合于自動控制和及遠程遙控領(lǐng)域，適用于無線水表抄表系統(tǒng)。

構(gòu)建具有無線通信功能的ZigBee節(jié)點，所需的主要硬件 為:微處理器及其外圍功能電路、一塊符合ZigBee協(xié)議的芯 片以及天線部分。本文選用的無線傳感節(jié)點平臺的核心是具有 高度集成性的ZigBee芯片MC13213,該芯片集成了 1個符合 IEEE 802.15.4協(xié)議的2.4 GHz收發(fā)器和飛思卡爾公司的低電 壓低功耗HCS08微處理器，具有體積小，成本低廉的優(yōu)點。 一個完整的ZigBee無線系統(tǒng)主要包括ZigBee芯片,射頻天線， LED顯示電路，鍵盤電路和電源電路等，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5 所示。

ZigBee無線模塊的通信方式可選用Beacon的方式，使 得總站能夠隨時隨地的了解每個ZigBee節(jié)點的狀態(tài)，同時該 方式可以有效的減少無謂的通信。Beacon方式分成若干時間 段(Slot)，ZigBee節(jié)點只在規(guī)定的Slot時間與路由器(Router) 或者調(diào)節(jié)器(Coordinator)進行通信，以使RF模塊在大部分 時間也處于低功耗的狀態(tài)，降低系統(tǒng)的功耗。

5小區(qū)集中器模塊設計

小區(qū)集中器與收據(jù)共享采集器相類似，是采集器和后臺 主機之間數(shù)據(jù)的一個中轉(zhuǎn)站。由于ZigBee覆蓋的區(qū)域范圍有 限，小區(qū)集中器的設置可以極大的拓寬該智能抄表系統(tǒng)的覆 蓋區(qū)域。工作過程中，利用ZigBee無線傳輸技術(shù)，小區(qū)集中 器將其覆蓋的小區(qū)內(nèi)的采集器周期性采集的數(shù)據(jù)匯集到該集 中器中。同時，隨時應答后臺主機服務器的呼叫，采用PSTN 將匯集的數(shù)據(jù)送入后臺服務器進行管理，完成相應的任務。

跟采集器一樣，小區(qū)集中器由微處理器、E2PROM存儲 器與RAM存儲器、復位電路、前向通信接口電路、后向通信 接口電路、電源電路、備用電源、定時電路及看門狗電路等組 成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。前向通信單元負責通過ZigBee 接收器和前級的采集器進行通信，后向通信單元則通過PSTN 實現(xiàn)該級和后臺主機服務器間的通信任務。

用戶水表數(shù)據(jù)與相關(guān)信息的安全存儲對于本文設計的 IWRS極為重要，考慮到該系統(tǒng)正常工作中不斷的有大量 的信息需要存儲。因此，本文選用CMOS系列E2PROM- CAT24WC02存儲器，其原理圖如圖7所示。該存儲器的數(shù) 據(jù)總線采用I2C傳輸協(xié)議，具有功耗低、壽命長的優(yōu)點， 適用于本文所設計的智能抄表系統(tǒng)。

6結(jié)語

結(jié)合有線自動式與無線式抄表系統(tǒng)各自的優(yōu)點，設計了一 種新型智能水表抄表系統(tǒng)。采用微處理器作為數(shù)據(jù)處理的核 心平臺，結(jié)合低成本的ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)與PSTN網(wǎng)絡, 構(gòu)建了該智能系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，針對ZigBee無線組網(wǎng)覆蓋面 積小的不足，設立了小區(qū)集中器，極大的拓寬了該智能抄表系 統(tǒng)的有效覆蓋區(qū)域。本文所設計的智能抄表系統(tǒng)具有使用方 便、成本低，安裝方便、集中抄表范圍廣等優(yōu)點，是一種理 想的水電部門水電生產(chǎn)、計量和管理的自動化方式，具有重要 的實際應用價值。

20211121_619a230aa02a1__一種新型智能水表抄表系統(tǒng)