光電傳感器在智能水表中的應用

吳 偉

（上海水務建設工程有限公司，中國 上海200072）

1 智能水表

1.1 智能水表概述

隨著計算機技術(shù)，現(xiàn)代通訊技術(shù)和自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化建筑在發(fā)達國家應運而生。 近年來，智能化住宅小區(qū)建設在我國發(fā)展的很快，自來水遠程抄表系統(tǒng)正是智能化住宅小區(qū)的必備系統(tǒng)。 目前我國城鄉(xiāng)居民用戶水表抄表一般采用人工抄表方式。這種方式需要消耗大量的人力、物力,采集數(shù)據(jù)的時間跨度大、采集數(shù)據(jù)的準確度低，同時給用戶帶來很多麻煩，甚至帶來不安全的因素。為了有效解決入戶抄表收費存在的諸多弊端，提高效率，避免入戶抄表引發(fā)的不安全因素和杜絕拖欠費用等情況，遠傳抄表系統(tǒng)得到了大力推廣。 遠程抄表是一種便民系統(tǒng)，作為現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。

1.2 傳感器在智能水表中應用

目前，實現(xiàn)遠程抄表有很多技術(shù)，例如藍牙技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)等，現(xiàn)有的各種轉(zhuǎn)換方式如采用單、雙干簧管傳感器、攝像直讀傳感器或霍爾元件，都在不同方面存在缺陷或不足。 從實際的運行的情況來看，表現(xiàn)不盡如人意,存在兩大問題：（1）必須不間斷供電，當電源斷電時間過長或信號線路需要維修時，遠傳讀數(shù)部分停止計量，機械讀數(shù)照常運轉(zhuǎn)。 因此恢復供電或維修完畢后需重讀水表的機械讀數(shù)，再對遠傳部分重新設置底數(shù)。（2）運行中會產(chǎn)生累積誤差，水表機械讀數(shù)與電子讀數(shù)不完全一致，總存在一定誤差。尤其是“單、雙干簧管表”因為臨界點顫動誤發(fā)信號無法克服，誤差非常大。 由于這些問題如果不能得到妥善解決，上述傳感器在市場上難以成為主流產(chǎn)品。 針對上述的難以克服的缺陷，人們將研究目光投向光電直讀，本文在此介紹的是一種直讀式遠傳水表，其最大特點是平時不需要電源，只有在抄表的瞬間才需要電源， 擺脫了脈沖等遠傳水表離開電源便無法工作的難題，并且使水表的機械讀數(shù)與電子讀數(shù)完全一致。

2 光電直讀計數(shù)器的應用

光電直讀表是在普通水表的計數(shù)器字輪印刷0-9 位置的外緣印刷特定標記，在其外圍固定光電傳感器及相關(guān)電路。外部供電讀表時，通過光電傳感器判斷特定標記“有”和“無“的狀態(tài)，通過組合編碼判斷以獲得字輪的讀數(shù)（表計的窗口值）。

2.1 光電直讀計數(shù)器的組成

光電直讀計數(shù)器包括殼體、驅(qū)動輪、進位齒輪、數(shù)字輪、信號采集板、光電傳感器等。

圖1 光電計數(shù)器示意圖

2.2 光電直讀計數(shù)器概述

光電直讀計數(shù)器有若干個同軸數(shù)字輪，最低位數(shù)字輪與驅(qū)動輪連接， 該數(shù)字輪端面的兩個半徑圓周上分別開有若干個弧形透光孔，同時數(shù)字輪上印有0-9 共10 個數(shù)碼，每個數(shù)碼的間隔被3 等分；進位輪與數(shù)字輪嚙合，位于最右邊的低位數(shù)字輪每轉(zhuǎn)一圈，就帶動與它相連的進位齒輪走一個齒， 進而帶動位于左邊的高位數(shù)字輪走一個數(shù)字，實現(xiàn)進位；信號采集板，位于數(shù)字輪兩側(cè)，其上設置若干對光電傳感器，每對光電傳感器包含一個發(fā)射管和一個接收管。

2.3 光電直讀計算器編碼原理

2.3.1 數(shù)字輪設計

數(shù)字字輪的柱面被30 等分， 整個柱面平均分為0-9 共10 等分，然后，每個數(shù)字間隔之間的扇面再3 等分，因此整個數(shù)字輪的柱面被30 等分。 自此，數(shù)字輪上的每個數(shù)就具有“上格”“正格”“下格”之分。例如：數(shù)字“8”就有“8 上格”“8 正格”“8 下格”。 當讀數(shù)在“8 上格”“8正格”“8 下格”時，均讀為“8”，這就避免了進位時的誤讀。

圖2 數(shù)字字輪示意圖

2.3.2 光電傳感器設置

在光電直讀計算器中，信號采集板上安裝6 對紅外發(fā)射管和紅外接收管，發(fā)射管和接收管構(gòu)成的紅外對管光路與數(shù)字輪的轉(zhuǎn)動軸線平行，同一個同心圓的半個圓周上分布5 對光電傳感器，其作用是抄報數(shù)字輪的讀書，在另一個同心圓的圓周上設置1 個光電傳感器，稱為進位傳感器，其作用是校驗進位輪的進位狀態(tài)。

2.3.3 碼道分布及其編碼方法

數(shù)字輪的端面上分別開有3 個弧形透光槽，作為編碼的碼道。 每一個數(shù)字輪的端面上分布有3 個圓弧孔，其中三個圓弧孔是位于同心圓上的，該同心圓的半徑與5 個光電傳感器所位于的同心圓的半徑相同，當圓弧孔轉(zhuǎn)到5 個光電傳感器中的任何一個時，均可通過圓弧孔透光，從而使接收管能夠接收到發(fā)射管所發(fā)射的光線，起到抄報數(shù)字輪讀數(shù)的作用。 其中一個圓弧孔比另外兩個圓弧孔更寬一些，覆蓋到進位校驗傳感器所處的同心圓中，這樣，當此圓弧孔轉(zhuǎn)動到進位校驗傳感器時，接收管可以接收到發(fā)射管所發(fā)射的光線，起到進位校驗作用。

圖3 直讀采集器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.4 數(shù)據(jù)讀取與上傳

上述編碼方式讀取的數(shù)據(jù)通過程序方式存入單片機， 抄表時，由外部供電，通過光電傳感器讀取字輪編碼傳遞給單片機，單片機按照電路邏輯關(guān)系，將數(shù)據(jù)上傳給區(qū)域集中器，再由集中器將所抄表具讀數(shù)上傳給上位機管理軟件。

3 應用

經(jīng)過多年從理論到實踐經(jīng)過多次研究， 對設計方案進行了修改和實際產(chǎn)品驗證，實踐證明在結(jié)構(gòu)和裝配誤差要求范圍內(nèi)，確定此方案可以做到準確讀取字輪數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代計量技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機信息技術(shù)等的日益發(fā)展，智能水表的智能性也得到日益提高。利用智能水表具有經(jīng)濟、實時、數(shù)據(jù)共享等優(yōu)點，將會越來越多地應用于社會發(fā)展的各個方面，并實現(xiàn)人類和水資源的和諧相處。光電直讀式計算器由于既有機械式計數(shù)器的無需帶電工作的優(yōu)點，又可采用光電直讀方式讀取計算值，可用于集中管理。 可見，光電直讀計數(shù)器的合理廣泛應用對于大力發(fā)展智能水表具有非常重要的作用和意義。

［1］董健,常正躍.智能水表及遠程集中抄表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國住宅設施,2003(02).

［2］施志剛.傳感器技術(shù)對智能水表的質(zhì)量至關(guān)重要[J].中國計量,2004(07).

［3］吳雅楠.IEEE802.15.4 無線傳感網(wǎng)絡研究及其在無線抄表中的應用[D].上海交通大學,2008.

［4］中國智能水表發(fā)展趨勢及自動抄表系統(tǒng)實踐[J].中國計量,2011(04).