無線通信網(wǎng)絡在階梯水價智能抄表系統(tǒng)中的研究

張妍　姜瑩瑩

摘要：電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的水表抄表技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們生活節(jié)奏高速運轉(zhuǎn)的需求以及階梯水價的普及工作，使得人們對抄表技術(shù)的要求越來越高，無線通信網(wǎng)絡智能抄表系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程水表的抄表功能，為階梯水價的實施提供了有力保證。文章從無線通信網(wǎng)絡智能遠程抄表方案入手，探討了智能抄表系統(tǒng)的框架組成及功能，側(cè)重于無線通信網(wǎng)絡在階梯水價智能抄表系統(tǒng)中的應用。

關(guān)鍵詞：智能抄表；水表；無線通信；集中器

在知識經(jīng)濟的時代，伴隨我國科學技術(shù)不斷進步，電子信息產(chǎn)業(yè)突飛猛進發(fā)展，使得人們在學習、工作和生活方式上都產(chǎn)生了巨大變化。我國是一個嚴重缺水的國家，水資源又是人民生活中不可缺少的能源之一，合理的對水資源進行開發(fā)、保護、利用和管理，已經(jīng)成為全社會關(guān)注的問題。

2014年1月3日國家發(fā)展和改革委員會、住房城鄉(xiāng)建設部宣布：為引導居民節(jié)約用水，促進水資源可持續(xù)利用，2015年年底前，設市城市原則上要全面實行居民階梯水價制度，所以水表的計量與水費的準確收取顯得尤為重要。

目前，新建住宅小區(qū)內(nèi)的水表大多數(shù)都已經(jīng)安裝到室外，如何對用戶使用的數(shù)據(jù)進行實時、可靠和準確的采集、存儲并且處理成為專家們討論的一個熱點問題。

1 無線通信網(wǎng)絡智能遠程抄表方案

無線通信網(wǎng)絡智能抄表系統(tǒng)在水表中的應用是指采用現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡等技術(shù)自動讀取和處理水表中的數(shù)據(jù)。無線通信網(wǎng)絡方式的選擇是無線通信網(wǎng)絡智能遠程抄表技術(shù)的關(guān)鍵。目前，國外許多國家在無線通信網(wǎng)絡智能遠程抄表方面發(fā)展成熟，數(shù)據(jù)傳輸采用的方式有：電纜、電力載波、無線電波、藍牙、移動通信網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)等。無線通信網(wǎng)絡智能遠程抄表系統(tǒng)正在呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢，目前采用的方案普遍有Ⅲ以下幾種。

1.1 電力載波抄表

電力載波（Power Line Carrier）抄表系統(tǒng)是遠程抄表系統(tǒng)中基本的通信方式，工作過程是把電力線作為傳輸橋梁，將發(fā)送端待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號調(diào)制成高頻信號然后疊加到電力線上進行高速傳送，在接收端還原成原來的數(shù)據(jù)信號。電力載波抄表系統(tǒng)不需要另外布線，可以利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡，所以覆蓋范圍和現(xiàn)有的電網(wǎng)同步。它具有易實現(xiàn)、低成本、分布范圍廣、傳輸信息穩(wěn)定可靠并且不需要維護的有線通信方式。目前國內(nèi)對高壓電力線載波技術(shù)發(fā)展比較成熟，對低壓電力線載波技術(shù)研究比較緩慢，因為電力載波信號具有低阻抗特性，使得距離傳輸越遠，信號衰減越大，對高速遠程抄表造成困擾，同時在數(shù)據(jù)傳輸過程中低壓電力線易受到嚴重的其他電磁信號或者脈沖信號等其他信號源的干擾，影響載波通信的質(zhì)量，導致了電力載波抄表系統(tǒng)在我國還未能發(fā)展到令人滿意的水平。

1.2 總線抄表

總線（Meter-Bus）通信是一種主從、半雙工通信系統(tǒng)，已經(jīng)形成了歐洲標準，也是目前國內(nèi)采用比較多的一種下行通信方式，主要有RS-232、RS-485、RS-422等。具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠、速度快等特點。在工程中被最廣泛使用的現(xiàn)場總線是在RS-422標準基礎(chǔ)上研究產(chǎn)生的一種靈敏度高、驅(qū)動強、支持多節(jié)點的半雙工異步RS-485標準?？偩€通信方式多采用并聯(lián)形式，易遭外界因素破壞，因此布線工作量大，后期維護難。

1.3 GSM短信息抄表

GSM～Global System for Mobile Communications全球移動通信系統(tǒng)的英文簡稱，是一種功能齊全的第二代移動通訊系統(tǒng)，技術(shù)發(fā)展比較成熟，具有覆蓋面積廣、不需要新建基站、傳輸速度快、通信容量大、可靠性高等優(yōu)勢。目前由GSM網(wǎng)絡提供的短信息服務已經(jīng)被廣泛應用在無線通信網(wǎng)絡智能抄表系統(tǒng)中，不需要建立端對端的信息通道，將采集到的各個用戶的數(shù)據(jù)按照相關(guān)協(xié)議處理后生成短信數(shù)據(jù)包，集中器通過GSM網(wǎng)絡短信息的形式將數(shù)據(jù)包上傳到GSM網(wǎng)絡短信服務中心，短信服務中心再將數(shù)據(jù)通過專線的形式傳送到水資源管理部門。如果數(shù)據(jù)發(fā)送過程中出現(xiàn)一些不確定的故障或者某些設備關(guān)閉問題，短信服務中心暫時能夠把未發(fā)送成功的數(shù)據(jù)保留一段時間，每經(jīng)過一定的時間間隔再次嘗試發(fā)送，直至發(fā)送成功，達到遠程智能抄表的目的。但在業(yè)務量大的系統(tǒng)中可能會發(fā)生信息擁塞或者數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。

1.4 GPRS網(wǎng)絡抄表

GPRS是General Packet Radio Service通用分組無線業(yè)務的英文簡稱，是在現(xiàn)有的GSM通信網(wǎng)絡系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)業(yè)務，采用TDMA方式傳輸語音，介于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術(shù)之間，經(jīng)常被描述成“2.56”。無線通信網(wǎng)絡智能遠程抄表系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡連接到Internet網(wǎng)上，并與水資源管理部門的計算機主機進行數(shù)據(jù)通信。通信過程是將采集到的各個用戶數(shù)據(jù)按照協(xié)議封裝，然后通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)射模塊發(fā)送出去，再由GPRS接收模塊接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過Internet網(wǎng)絡發(fā)送到水資源管理部門的計算機主機，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)和水資源管理部門的主計算機之間實時連接。

以GSM網(wǎng)絡為基礎(chǔ)的GPRS網(wǎng)絡，采用分組交換的高效率傳輸方式，具有以下特點：（1）激活GPRS后，不存在掉線情況，一直保持在線；（2）雖然一直在線，但只有產(chǎn)生通信數(shù)據(jù)流量才計費；（3）變換速率快、資源利用率高；（4）傳輸速率高，接入時間短，降低服務成本。因此，GPRS通信網(wǎng)絡特別適用于頻繁的、突發(fā)的、間斷的少量數(shù)據(jù)量傳輸，或者偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

2 智能抄表系統(tǒng)的框架組成及功能

智能抄表系統(tǒng)的框架主要包括采集器、集中器和能源管理部門的管理控制服務中心，如圖1所示。集中器是整個智能抄表系統(tǒng)中重要的管理者，不僅能夠發(fā)揮對采集器所收集的數(shù)據(jù)信息進行分析、整理、儲存的功能，還能夠?qū)⒐芾砜刂品罩行陌l(fā)出的臨時指令下達給采集器。

居民小區(qū)每單元的采集器與該單元的所有用戶水表下行通信方式連接起來，每個采集器負責采集所連接的單個住戶水表用水量的信息，根據(jù)小區(qū)內(nèi)住宅樓分布情況，將通信范圍內(nèi)所有采集器用總線形式連接到集中器上，集中器收集各采集終端數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)預處理、儲存，形成抄表局域網(wǎng)絡，經(jīng)過通信控制數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對收集到的數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡，再利用無線GPRS網(wǎng)絡上行通信方式與管理控制服務中心系統(tǒng)進行實時通信，完成用戶水表數(shù)據(jù)和管理控制服務中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時在線連接。

管理服務控制中心的服務器接收到GPRS網(wǎng)絡傳回來的數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進行安全認證，增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全性能，然后傳送到管理控制服務中心的計算機主機，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進行還原處理并顯示。管理控制服務中心的計算機主機能夠進行數(shù)據(jù)管理、業(yè)務管理和計費管理，對所管轄的水表數(shù)據(jù)進行存儲、統(tǒng)計、分析、管理等，當異常情況發(fā)生的時候，能夠發(fā)出報警信息，同時對各個用戶使用水量情況進行實時監(jiān)控。各個用水量住戶可以電腦或者手機終端登錄管理控制服務中心網(wǎng)站查詢用水情況，及時準確的知道目前用水量處于階梯水價的第幾個階段，是否還有水費，方便家庭生活的需要。

智能抄表系統(tǒng)可以根據(jù)實際工作情況的需要，對水表數(shù)據(jù)信息進行定時采集，并發(fā)揮智能抄表系統(tǒng)雙向通信的功能。例如在正常的工作狀態(tài)下，用戶的水表數(shù)據(jù)信息按設定的固定時間上傳，如果遇到特殊情況需要即時了解用戶的水表數(shù)據(jù)信息，就要由管理控制服務中心下達抄表指令，當節(jié)點接收到指令后，調(diào)整用戶的水表數(shù)據(jù)信息傳輸時間，轉(zhuǎn)為實時抄送。

為了確保每一個模塊的工作狀態(tài)都可以接受任意時間的網(wǎng)絡檢測，需要設置報警設備，當模塊在工作中出現(xiàn)故障的時候（如采集器數(shù)據(jù)溢出或者集中器上傳信息為零等問題），就會同步啟動報警設備，并及時通過網(wǎng)絡將故障信息第一時間報告給管理控制服務中心。

綜上所述，無線通信網(wǎng)絡智能抄表系統(tǒng)能夠提供全面實時的數(shù)據(jù)、不間斷的系統(tǒng)監(jiān)控，非常適合應用在階梯水價數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，同時也為普及階梯水價提供有效的數(shù)據(jù)分析支撐。因此，無線通信網(wǎng)絡智能抄表系統(tǒng)在階梯水價中會得到廣泛應用。