與數(shù)字化城市相配套的水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

孫曉宇

摘 要：該文描述了一種城市自來水?dāng)?shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的構(gòu)成方式。論述了直讀式電子水表，采集板、集中器的原理和功能，通過多種總線傳輸和無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)城市水表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)的采集和匯總。

關(guān)鍵詞：自來水表采集系統(tǒng) 直讀水表 采集板 集中器

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（c）-0102-02

我國是一個(gè)缺水嚴(yán)重的國家。全國600多座城市中，已有400多個(gè)城市存在供水不足問題。所以每個(gè)城市的水資源合理的管理和應(yīng)用，就擺在了一個(gè)尤其重要的位置。

我國傳統(tǒng)的自來水計(jì)量收費(fèi)管理，大多采用機(jī)械式的字輪或指針?biāo)?，自來水單位的抄表員登門入戶進(jìn)行人工抄表收費(fèi)的方式，這種收費(fèi)方式存在著許多弊端，例如：擾民、無法入戶、誤讀數(shù)等，這樣就使得水的計(jì)量數(shù)據(jù)采集的不及時(shí)、不準(zhǔn)確，加劇了供需矛盾，也無法進(jìn)行量化管理。因此，城市自來水計(jì)量的準(zhǔn)確、及時(shí)是有著很大的經(jīng)濟(jì)和社會意義的。

該文論述的采用直讀式電子水表，利用多種總線傳輸技術(shù)、無線通信技術(shù)、和計(jì)算機(jī)技術(shù)組成的城市自來水水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)城市水表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、及時(shí)的采集、匯總。為數(shù)字化的精準(zhǔn)管理提供了可靠數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)的組成

城市建設(shè)中有老建筑和新建筑的小區(qū)，建筑的密度也多種多樣，地理地勢情況比較復(fù)雜，因此要經(jīng)濟(jì)合理的組建城市自來水水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，就要利用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，因地制宜。我們組建的系統(tǒng)如圖1。

圖1中描述了整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成，各方塊圖之間的傳輸方式選擇是從經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安裝維護(hù)方便而優(yōu)化選擇的。各種傳輸方式的比較如表1。

2 直讀式水表

直讀式水表是在普通干式或濕式水表中加入光電編碼器構(gòu)成的。光電編碼器是采用傳感器技術(shù)，將水表內(nèi)部機(jī)械字輪上插入5對透射光耦，機(jī)械字輪上刻有可透光的光柵，光柵的大小是與字輪上的0～9的數(shù)字成一定的邏輯關(guān)系，因而5對光耦接收到的光電編碼就對應(yīng)著機(jī)械輪上所顯示的數(shù)字位置。

直讀水表內(nèi)置單片機(jī)系統(tǒng)，具有以下功能：（1）讀取光耦的編碼數(shù)據(jù)，通過二進(jìn)制位置解析程序計(jì)算出機(jī)械字輪上顯示的數(shù)字；（2）自動檢測水表的工作狀態(tài)，有故障等異常信息及時(shí)上報(bào)；（3）通過M-Bus總線接口上傳水表的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)編碼。每個(gè)水表都有唯一的地址編碼，用來識別水表，該地址碼可以通過M-Bus總線進(jìn)行更改和設(shè)定。

通過直讀式水表的原理結(jié)構(gòu)可知，直讀表具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）只需在讀表瞬間通電，因而功耗低，不需要自備電池；（2）獲得的代碼速度快；（3）在字輪轉(zhuǎn)到兩個(gè)數(shù)字之間時(shí)，肉眼難以確認(rèn)哪個(gè)數(shù)字，而直讀表可以將其準(zhǔn)確讀出；（4）讀數(shù)始終與機(jī)械字輪上顯示的數(shù)字一致，即克服了干簧管脈沖水表容易造成的采集數(shù)據(jù)與表針數(shù)據(jù)不一致的缼陷。

3 采集器

采集器是實(shí)現(xiàn)多個(gè)水表與集中器數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g設(shè)備，它由MSP430系列單片機(jī)控制器、M-Bus總線電路、RS485總線電路、RF無線數(shù)傳模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊電路組成。

采集器與水表采用M-Bus總路線電路連接。M-Bus總線是由兩條無極性傳輸線來同時(shí)供電和傳輸串行數(shù)據(jù)，可以并聯(lián)和星形連接，因此布線和連接結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。

M-Bus總線電路的供電電源為±24V，發(fā)送端利用傳輸?shù)臄?shù)字信號控制導(dǎo)線內(nèi)的電流變化，接收端通過檢測導(dǎo)線內(nèi)的電流變化還原成數(shù)字脈沖電壓信號。M-Bus總路線電路傳輸信號的脈沖幅度高，電流大，具有很高的抗干擾能力，所以在一般的民宅樓宇內(nèi)連線不用采用屏蔽電纜和特殊導(dǎo)線，只用普通導(dǎo)線即可。但在工廠強(qiáng)電磁干擾區(qū)內(nèi)，建議使用屏蔽電纜。

M-Bus總線上的每臺水表都有一個(gè)唯一的地址識別碼，采集器通過每臺水表的地址碼來識別讀取各個(gè)水表的數(shù)據(jù)。由于M-Bus總線信號電壓電流幅度較大，而且是半雙工串行數(shù)據(jù)傳輸，因而傳輸?shù)乃俣容^慢，由于每臺水表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很少，花費(fèi)的時(shí)間不多，所以采用M-Bus總線，即安全可靠，又降低了成本。

設(shè)計(jì)一條M-Bus總線上最多能連接50個(gè)終端，也就是說一臺采集器所能連接的直讀表數(shù)為≤50個(gè)，為了能連接更多的直讀水表，就需要使用多個(gè)采集器連接水表。所有采集器上的RS485總線接口是并聯(lián)在一起的，每個(gè)采集器都有自己唯一的地址，對于主從式通信系統(tǒng)，無論是M-Bus總線，還是RS485總線，它們都是一種半雙工通信總線，因從機(jī)之間不能直接交換信息，所以當(dāng)水表總數(shù)大于50個(gè)數(shù)量時(shí)，相應(yīng)的接入集中器管理所有樓宇內(nèi)的采集器，以便能夠管理所有的水表。

4 集中器

集中器是實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集器與中央管理控制中心數(shù)據(jù)交換的中間設(shè)備，它由ARM控制器、RS485總線電路、GPRS模塊、以太網(wǎng)接口電路組成。

集中器管理各采集器并將其數(shù)據(jù)讀取到自己的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中儲存，以供中央管理控制中心隨時(shí)讀取。采用集中器可以使得各采集器并行工作，提高了水表數(shù)據(jù)的采集速度。集中器與采集器之間采用RS485總線連接，與中央管理控制中心之間采用GPRS無線網(wǎng)轉(zhuǎn)送以太網(wǎng)的方式，這樣只要GPRS能覆蓋的地區(qū)，集中器隨時(shí)都可將已存儲的數(shù)據(jù)上傳到中央管理控制中心。

集中器上的DTU（Data Terminal unit）數(shù)據(jù)傳輸單元，是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)的無線終端設(shè)備。GPRS DTU就是用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，它采用工業(yè)級嵌入式處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧。為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)

集中器通過DUT建立可靠的通訊通道，處理和交換中央控制器與水表單元間的數(shù)據(jù)信息?？筛鶕?jù)需求配置為每月的每天、某一或兩天的某一時(shí)間定時(shí)自動抄表，也可令區(qū)域集中器操作采集器和水表單元，提取某水表單元的最新數(shù)據(jù)。這一套完整系統(tǒng)的建立可在最大程度上簡化操作過程，實(shí)現(xiàn)真正意義上的足不出戶、智能抄表。endprint

5 無線抄表車

對于GPRS覆蓋不到和老建筑不方便施工改造的區(qū)域，可使用流動的無線電臺車抄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市全區(qū)域的覆蓋。

無線電臺車抄系統(tǒng)就是在汽車上，安裝了配有筆記本電腦或集中器，加上RF無線收發(fā)模塊和GPS定位系統(tǒng)。當(dāng)汽車GPS定位到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)，車載筆記本電腦或集中器自動通過連接的RF無線模塊向采集器上的無線收發(fā)模塊發(fā)出采集命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。若將所有采集器的數(shù)據(jù)采用Zigbee的方式組網(wǎng)，與筆記本電腦或集中器之間進(jìn)行無線傳送，覆蓋的范圍會更大，效率提高地會更顯著。

6 自來水公司中央管理控制中心

自來水公司中央管理控制中心是城市供水服務(wù)平臺，是整個(gè)城市用水的調(diào)控中心，由于它配備了全城市區(qū)域的水表數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)，所以就能夠及時(shí)準(zhǔn)確掌握全市、各區(qū)域和各點(diǎn)的用水情況?？稍诰€進(jìn)行供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測及供水能耗分析，合理的進(jìn)行水資源的調(diào)配。

利用采集的數(shù)據(jù)可計(jì)算出總表的水量、分量水表的總和，系統(tǒng)會自動對用水輸差進(jìn)行計(jì)算，監(jiān)測水表故障和發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)泄露現(xiàn)象，并主動報(bào)警。自動遠(yuǎn)程監(jiān)測和分析用水情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶泄漏水情況，從多方面降低水司損失。對于現(xiàn)場水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)快速生成各種實(shí)時(shí)報(bào)表，及時(shí)匯總、分析，制定解決問題的策略方案。它也可以遠(yuǎn)程管理城市內(nèi)的每一塊水表，包括水表信息、水表狀態(tài)、水表指針等。

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺上，面向廣大的供水企業(yè)和用戶，提供城域化遠(yuǎn)程抄表、水務(wù)遙測及日常營業(yè)管理服務(wù)，到那時(shí)，可以足不出戶，在家中就可以通過互聯(lián)網(wǎng)檢測到自家的水表信息，水費(fèi)計(jì)量金額。

7 結(jié)語

該系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)可靠的組成了城市自來水水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，運(yùn)行準(zhǔn)確可靠，便于推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單位片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.11：113-130.

[2] 肖廣兵，萬茂松，羊玢.ARM嵌入式開發(fā)實(shí)例[M].基于STM32的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：電子工業(yè)出版社，2013：28-35

[3] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北就：國防工業(yè)出版社，2008：13-22.endprint

5 無線抄表車

對于GPRS覆蓋不到和老建筑不方便施工改造的區(qū)域，可使用流動的無線電臺車抄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市全區(qū)域的覆蓋。

無線電臺車抄系統(tǒng)就是在汽車上，安裝了配有筆記本電腦或集中器，加上RF無線收發(fā)模塊和GPS定位系統(tǒng)。當(dāng)汽車GPS定位到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)，車載筆記本電腦或集中器自動通過連接的RF無線模塊向采集器上的無線收發(fā)模塊發(fā)出采集命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。若將所有采集器的數(shù)據(jù)采用Zigbee的方式組網(wǎng)，與筆記本電腦或集中器之間進(jìn)行無線傳送，覆蓋的范圍會更大，效率提高地會更顯著。

6 自來水公司中央管理控制中心

自來水公司中央管理控制中心是城市供水服務(wù)平臺，是整個(gè)城市用水的調(diào)控中心，由于它配備了全城市區(qū)域的水表數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)，所以就能夠及時(shí)準(zhǔn)確掌握全市、各區(qū)域和各點(diǎn)的用水情況?？稍诰€進(jìn)行供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測及供水能耗分析，合理的進(jìn)行水資源的調(diào)配。

利用采集的數(shù)據(jù)可計(jì)算出總表的水量、分量水表的總和，系統(tǒng)會自動對用水輸差進(jìn)行計(jì)算，監(jiān)測水表故障和發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)泄露現(xiàn)象，并主動報(bào)警。自動遠(yuǎn)程監(jiān)測和分析用水情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶泄漏水情況，從多方面降低水司損失。對于現(xiàn)場水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)快速生成各種實(shí)時(shí)報(bào)表，及時(shí)匯總、分析，制定解決問題的策略方案。它也可以遠(yuǎn)程管理城市內(nèi)的每一塊水表，包括水表信息、水表狀態(tài)、水表指針等。

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺上，面向廣大的供水企業(yè)和用戶，提供城域化遠(yuǎn)程抄表、水務(wù)遙測及日常營業(yè)管理服務(wù)，到那時(shí)，可以足不出戶，在家中就可以通過互聯(lián)網(wǎng)檢測到自家的水表信息，水費(fèi)計(jì)量金額。

7 結(jié)語

該系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)可靠的組成了城市自來水水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，運(yùn)行準(zhǔn)確可靠，便于推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2] 肖廣兵，萬茂松，羊玢.ARM嵌入式開發(fā)實(shí)例[M].基于STM32的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：電子工業(yè)出版社，2013：28-35

[3] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北就：國防工業(yè)出版社，2008：13-22.endprint

5 無線抄表車

對于GPRS覆蓋不到和老建筑不方便施工改造的區(qū)域，可使用流動的無線電臺車抄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市全區(qū)域的覆蓋。

無線電臺車抄系統(tǒng)就是在汽車上，安裝了配有筆記本電腦或集中器，加上RF無線收發(fā)模塊和GPS定位系統(tǒng)。當(dāng)汽車GPS定位到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)，車載筆記本電腦或集中器自動通過連接的RF無線模塊向采集器上的無線收發(fā)模塊發(fā)出采集命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。若將所有采集器的數(shù)據(jù)采用Zigbee的方式組網(wǎng)，與筆記本電腦或集中器之間進(jìn)行無線傳送，覆蓋的范圍會更大，效率提高地會更顯著。

6 自來水公司中央管理控制中心

自來水公司中央管理控制中心是城市供水服務(wù)平臺，是整個(gè)城市用水的調(diào)控中心，由于它配備了全城市區(qū)域的水表數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)，所以就能夠及時(shí)準(zhǔn)確掌握全市、各區(qū)域和各點(diǎn)的用水情況?？稍诰€進(jìn)行供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測及供水能耗分析，合理的進(jìn)行水資源的調(diào)配。

利用采集的數(shù)據(jù)可計(jì)算出總表的水量、分量水表的總和，系統(tǒng)會自動對用水輸差進(jìn)行計(jì)算，監(jiān)測水表故障和發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)泄露現(xiàn)象，并主動報(bào)警。自動遠(yuǎn)程監(jiān)測和分析用水情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶泄漏水情況，從多方面降低水司損失。對于現(xiàn)場水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)快速生成各種實(shí)時(shí)報(bào)表，及時(shí)匯總、分析，制定解決問題的策略方案。它也可以遠(yuǎn)程管理城市內(nèi)的每一塊水表，包括水表信息、水表狀態(tài)、水表指針等。

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺上，面向廣大的供水企業(yè)和用戶，提供城域化遠(yuǎn)程抄表、水務(wù)遙測及日常營業(yè)管理服務(wù)，到那時(shí)，可以足不出戶，在家中就可以通過互聯(lián)網(wǎng)檢測到自家的水表信息，水費(fèi)計(jì)量金額。

7 結(jié)語

該系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)可靠的組成了城市自來水水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，運(yùn)行準(zhǔn)確可靠，便于推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2] 肖廣兵，萬茂松，羊玢.ARM嵌入式開發(fā)實(shí)例[M].基于STM32的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：電子工業(yè)出版社，2013：28-35

[3] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北就：國防工業(yè)出版社，2008：13-22.endprint