一種新型智能水表抄表系統(tǒng)

摘 要：由抄表人員逐戶查抄表的傳統(tǒng)方式，需要消耗大量的人力、物力，且采集數(shù)據(jù)的時間跨度大，準確度低。針對此問題，文中設計了一種用于水表抄表的新型智能系統(tǒng)，該方式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，來構(gòu)建智能系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，并針對ZigBee無線組網(wǎng)覆蓋面積小的不足，設立了小區(qū)集中器，極大地拓寬了該智能抄表系統(tǒng)的有效覆蓋區(qū)域。該智能抄表系統(tǒng)，不僅可以降低抄表成本，而且可以實現(xiàn)水表管理的集中化與智能化，具有重要的實際應用價值。

關(guān)鍵詞：水表抄表；智能系統(tǒng)；ZigBee無線網(wǎng)絡

中圖分類號：TP391文獻識別碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0016-03

0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[1-2]。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[1-4]。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[4]。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[2-3，5]。

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η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。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

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[7]，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。

圖2采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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：

（1）

式中， 為一段時間間隔內(nèi)用戶的用水量， 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)。

圖3采集器結(jié)構(gòu)框圖

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。

圖4定時電路原理圖

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。

4ZigBee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MCl3213，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。

圖5ZigBee模塊簡圖

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[2]。

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[6]，適用于本文所設計的智能抄表系統(tǒng)。

圖6小區(qū)集中器結(jié)構(gòu)框圖

圖7E2PROM存儲器原理圖

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。

參 考 文 獻

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