光電傳感器在智能水表中的應(yīng)用

吳 偉

（上海水務(wù)建設(shè)工程有限公司，中國(guó) 上海200072）

1 智能水表

1.1 智能水表概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代通訊技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化建筑在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)運(yùn)而生。 近年來(lái)，智能化住宅小區(qū)建設(shè)在我國(guó)發(fā)展的很快，自來(lái)水遠(yuǎn)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(guó)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(shí)間跨度大、采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度低，同時(shí)給用戶帶來(lái)很多麻煩，甚至帶來(lái)不安全的因素。為了有效解決入戶抄表收費(fèi)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(fèi)用等情況，遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)得到了大力推廣。 遠(yuǎn)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(yīng)用

目前，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表有很多技術(shù)，例如藍(lán)牙技術(shù)、無(wú)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(shí)際的運(yùn)行的情況來(lái)看，表現(xiàn)不盡如人意,存在兩大問(wèn)題：（1）必須不間斷供電，當(dāng)電源斷電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或信號(hào)線路需要維修時(shí)，遠(yuǎn)傳讀數(shù)部分停止計(jì)量，機(jī)械讀數(shù)照常運(yùn)轉(zhuǎn)。 因此恢復(fù)供電或維修完畢后需重讀水表的機(jī)械讀數(shù)，再對(duì)遠(yuǎn)傳部分重新設(shè)置底數(shù)。（2）運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生累積誤差，水表機(jī)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?yàn)榕R界點(diǎn)顫動(dòng)誤發(fā)信號(hào)無(wú)法克服，誤差非常大。 由于這些問(wèn)題如果不能得到妥善解決，上述傳感器在市場(chǎng)上難以成為主流產(chǎn)品。 針對(duì)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(yuǎn)傳水表，其最大特點(diǎn)是平時(shí)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(yuǎn)傳水表離開(kāi)電源便無(wú)法工作的難題，并且使水表的機(jī)械讀數(shù)與電子讀數(shù)完全一致。

2 光電直讀計(jì)數(shù)器的應(yīng)用

光電直讀表是在普通水表的計(jì)數(shù)器字輪印刷0-9 位置的外緣印刷特定標(biāo)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(shí)，通過(guò)光電傳感器判斷特定標(biāo)記“有”和“無(wú)“的狀態(tài)，通過(guò)組合編碼判斷以獲得字輪的讀數(shù)（表計(jì)的窗口值）。

2.1 光電直讀計(jì)數(shù)器的組成

光電直讀計(jì)數(shù)器包括殼體、驅(qū)動(dòng)輪、進(jìn)位齒輪、數(shù)字輪、信號(hào)采集板、光電傳感器等。

圖1 光電計(jì)數(shù)器示意圖

2.2 光電直讀計(jì)數(shù)器概述

光電直讀計(jì)數(shù)器有若干個(gè)同軸數(shù)字輪，最低位數(shù)字輪與驅(qū)動(dòng)輪連接， 該數(shù)字輪端面的兩個(gè)半徑圓周上分別開(kāi)有若干個(gè)弧形透光孔，同時(shí)數(shù)字輪上印有0-9 共10 個(gè)數(shù)碼，每個(gè)數(shù)碼的間隔被3 等分；進(jìn)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(dòng)與它相連的進(jìn)位齒輪走一個(gè)齒， 進(jìn)而帶動(dòng)位于左邊的高位數(shù)字輪走一個(gè)數(shù)字，實(shí)現(xiàn)進(jìn)位；信號(hào)采集板，位于數(shù)字輪兩側(cè)，其上設(shè)置若干對(duì)光電傳感器，每對(duì)光電傳感器包含一個(gè)發(fā)射管和一個(gè)接收管。

2.3 光電直讀計(jì)算器編碼原理

2.3.1 數(shù)字輪設(shè)計(jì)

數(shù)字字輪的柱面被30 等分， 整個(gè)柱面平均分為0-9 共10 等分，然后，每個(gè)數(shù)字間隔之間的扇面再3 等分，因此整個(gè)數(shù)字輪的柱面被30 等分。 自此，數(shù)字輪上的每個(gè)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(dāng)讀數(shù)在“8 上格”“8正格”“8 下格”時(shí)，均讀為“8”，這就避免了進(jìn)位時(shí)的誤讀。

圖2 數(shù)字字輪示意圖

2.3.2 光電傳感器設(shè)置

在光電直讀計(jì)算器中，信號(hào)采集板上安裝6 對(duì)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(duì)管光路與數(shù)字輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行，同一個(gè)同心圓的半個(gè)圓周上分布5 對(duì)光電傳感器，其作用是抄報(bào)數(shù)字輪的讀書(shū)，在另一個(gè)同心圓的圓周上設(shè)置1 個(gè)光電傳感器，稱為進(jìn)位傳感器，其作用是校驗(yàn)進(jìn)位輪的進(jìn)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(kāi)有3 個(gè)弧形透光槽，作為編碼的碼道。 每一個(gè)數(shù)字輪的端面上分布有3 個(gè)圓弧孔，其中三個(gè)圓弧孔是位于同心圓上的，該同心圓的半徑與5 個(gè)光電傳感器所位于的同心圓的半徑相同，當(dāng)圓弧孔轉(zhuǎn)到5 個(gè)光電傳感器中的任何一個(gè)時(shí)，均可通過(guò)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(bào)數(shù)字輪讀數(shù)的作用。 其中一個(gè)圓弧孔比另外兩個(gè)圓弧孔更寬一些，覆蓋到進(jìn)位校驗(yàn)傳感器所處的同心圓中，這樣，當(dāng)此圓弧孔轉(zhuǎn)動(dòng)到進(jìn)位校驗(yàn)傳感器時(shí)，接收管可以接收到發(fā)射管所發(fā)射的光線，起到進(jìn)位校驗(yàn)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(guò)程序方式存入單片機(jī)， 抄表時(shí)，由外部供電，通過(guò)光電傳感器讀取字輪編碼傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)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(jī)管理軟件。

3 應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年從理論到實(shí)踐經(jīng)過(guò)多次研究， 對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了修改和實(shí)際產(chǎn)品驗(yàn)證，實(shí)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(zhǔn)確讀取字輪數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)、實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)共享等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面，并實(shí)現(xiàn)人類(lèi)和水資源的和諧相處。光電直讀式計(jì)算器由于既有機(jī)械式計(jì)數(shù)器的無(wú)需帶電工作的優(yōu)點(diǎn)，又可采用光電直讀方式讀取計(jì)算值，可用于集中管理。 可見(jiàn)，光電直讀計(jì)數(shù)器的合理廣泛應(yīng)用對(duì)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(yuǎn)程集中抄表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)住宅設(shè)施,2003(02).

［2］施志剛.傳感器技術(shù)對(duì)智能水表的質(zhì)量至關(guān)重要[J].中國(guó)計(jì)量,2004(07).

［3］吳雅楠.IEEE802.15.4 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究及其在無(wú)線抄表中的應(yīng)用[D].上海交通大學(xué),2008.

［4］中國(guó)智能水表發(fā)展趨勢(shì)及自動(dòng)抄表系統(tǒng)實(shí)踐[J].中國(guó)計(jì)量,2011(04).