基于智能網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)抄水表系統(tǒng)探討

摘要：“一戶一表”政策的推行決定了抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大、采集點(diǎn)極其分散的特點(diǎn)，階梯水價(jià)計(jì)費(fèi)的方法決定了計(jì)費(fèi)算法復(fù)雜、人力輸入數(shù)據(jù)容易出錯(cuò)，這些必將使水表抄收和水費(fèi)核算的工作量大大增加。文章介紹了以智能網(wǎng)為基礎(chǔ)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，并就該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)方法及可行性進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)絡(luò)；自動(dòng)抄水表系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架；集中器；階梯水價(jià) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2017）01-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.062

1 問題由來

在我國用水計(jì)量采用“一戶一表”制，并且為了杜絕一些商業(yè)用水行業(yè)比如洗車之類的行業(yè)，浪費(fèi)水資源的現(xiàn)象，實(shí)行了一些節(jié)水管理辦法，如實(shí)施階梯水價(jià)計(jì)費(fèi)?！耙粦粢槐怼闭叩耐菩?，決定了抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，數(shù)據(jù)量大而且采集點(diǎn)極其分散的特點(diǎn)；階梯水價(jià)計(jì)費(fèi)的方法，決定了計(jì)費(fèi)算法復(fù)雜，人力輸入數(shù)據(jù)容易出錯(cuò)，這些必將使水表抄收和水費(fèi)核算的工作量大大增加。而且我國的城鎮(zhèn)房屋建設(shè)傾向于開發(fā)建設(shè)高樓大廈，這也增加了水表抄收工作的工作難度和工作強(qiáng)度，完全靠人力很難及時(shí)準(zhǔn)確地完成水表抄收工作。所以為了解決這些問題，自動(dòng)抄水表的創(chuàng)建就顯得異常重要了。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)抄水表系統(tǒng)是將數(shù)字通訊技術(shù)與水表計(jì)量技術(shù)結(jié)合起來，形成一個(gè)完整的自動(dòng)抄水表系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但不需要上門抄錄每戶用水量，而且還可以實(shí)現(xiàn)水量統(tǒng)計(jì)，水量分時(shí)、分區(qū)計(jì)費(fèi)，用戶水費(fèi)繳納等功能。此抄表系統(tǒng)減輕了自來水公司及物業(yè)部門的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人工抄表的投資，并且能使一個(gè)區(qū)域的水資源統(tǒng)一化管理。對(duì)于用戶而言，此系統(tǒng)將家庭用水量數(shù)據(jù)透明化，也便于用戶繳納水費(fèi)。

2 智能網(wǎng)

智能網(wǎng)（IN）是在原有通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立的一種可以提供各種智能業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。智能網(wǎng)的組成單元是業(yè)務(wù)交換點(diǎn)（SSP）、業(yè)務(wù)控制點(diǎn)（SCP）、信令轉(zhuǎn)換點(diǎn)（STP）、智能外圍業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)（IP）和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)（SMS）等。業(yè)務(wù)交換點(diǎn)是一個(gè)本地交換機(jī)，主要作用就是將用戶與業(yè)務(wù)控制點(diǎn)連起來，實(shí)現(xiàn)用戶與業(yè)務(wù)控制點(diǎn)之間的信息交換。業(yè)務(wù)控制點(diǎn)是智能網(wǎng)的中心，一般由大、中型計(jì)算機(jī)和大型數(shù)據(jù)庫組成，它的主要功能就是實(shí)現(xiàn)各種智能業(yè)務(wù)，當(dāng)接收到業(yè)務(wù)交換點(diǎn)送來的用戶信息時(shí)，向數(shù)據(jù)庫查詢信息，并且發(fā)出控制指令。

3 基于智能網(wǎng)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于智能網(wǎng)的自動(dòng)抄水表系統(tǒng)是將分散于用戶的智能水表數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并且通過RS485總線，將數(shù)據(jù)傳送到集中器，再通過電話網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到管理層，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，費(fèi)用計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)費(fèi)用繳納的綜合性抄表系統(tǒng)。

我們可以將這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三層，分別為用戶層、中間層和管理層。自動(dòng)抄水表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3.1 用戶層

用戶層即分散在各小區(qū)用戶家中的智能水表。智能水表要對(duì)峰時(shí)、谷時(shí)的水量進(jìn)行計(jì)量，并且要將計(jì)量數(shù)據(jù)采集并保存，還要通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與集中器，管理中心相連接，構(gòu)成遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用水信息采集、保存、傳送、階梯式收費(fèi)計(jì)算等功能。

3.2 中間層

集中器采集的智能水表數(shù)據(jù)要及時(shí)、主動(dòng)地向上一層管理中心上傳。并響應(yīng)管理中心的抄表指令，將抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行凍結(jié)或更新。這一通訊方式常常是基于PSTN、ISDN、GPRS等?？紤]到抄表的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，常常采用較成熟的PSTN或ISDN網(wǎng)絡(luò)，本文采用PSTN網(wǎng)絡(luò)。

3.3 管理層

當(dāng)集中器采集到智能水表的數(shù)據(jù)后，要將該數(shù)據(jù)再送到管理層的數(shù)據(jù)分析中心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然后再將經(jīng)分析后的數(shù)據(jù)送到結(jié)算中心，進(jìn)行水量、水費(fèi)的結(jié)算或送至相應(yīng)的管理部門作為分析、決策的依據(jù)。最后要將結(jié)算后的數(shù)據(jù)通過Internet或手機(jī)APP方式傳達(dá)給用戶，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上繳納費(fèi)用，方便用戶使用。這一過程通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的進(jìn)一步交換，我們稱為數(shù)據(jù)的管理層。

4 自動(dòng)抄水表系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、配置

自動(dòng)抄水表系統(tǒng)由智能水表、采集終端、集中器、管理中心組成四級(jí)抄表網(wǎng)絡(luò)。采集終端、集中器之間的通信采用RS—485總線結(jié)構(gòu)，管理中心和集中器之間的通信采用現(xiàn)在已有的公用電話網(wǎng)。自動(dòng)抄水表系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

4.1 管理中心設(shè)計(jì)

管理中心實(shí)際上就是一套以計(jì)算機(jī)為載體的軟件管理系統(tǒng)，它的核心是數(shù)據(jù)庫。管理中心包括用戶管理中心、數(shù)據(jù)分析中心、數(shù)據(jù)計(jì)算中心三個(gè)部分。

用戶管理中心，要實(shí)現(xiàn)用戶資料的錄入、刪除、修改等管理，將普通用戶與商業(yè)用戶分開，一戶一表與一戶多表分開，這一部分?jǐn)?shù)據(jù)是一個(gè)區(qū)域自來水管理的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)計(jì)算中心，要對(duì)收到的水量數(shù)據(jù)及用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出不同類型用戶的水費(fèi)。

數(shù)據(jù)分析中心，要對(duì)已經(jīng)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，確保準(zhǔn)確無誤，并傳送到繳費(fèi)系統(tǒng)。這部分還可以對(duì)一個(gè)區(qū)域的用水量進(jìn)行分析，便于自來水廠的管理。

此外，還可以與銀行聯(lián)網(wǎng)，將計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸給銀行，由銀行從用戶賬戶上自動(dòng)扣費(fèi)；也可以將數(shù)據(jù)傳入專用APP由用戶自行繳費(fèi)。

4.2 集中器的設(shè)計(jì)

在自動(dòng)抄水表系統(tǒng)中，集中器有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用，它負(fù)責(zé)管理中心和智能水表的聯(lián)系。它主要有兩個(gè)功能：（1）保證管理中心與水表之間的信息傳輸，將管理中心下達(dá)的指令傳達(dá)給智能水表；（2）將抄得的智能水表的數(shù)據(jù)信息傳輸給管理中心。

對(duì)于集中器的設(shè)計(jì)，使用了PC104工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。它有體積小、輕便、擴(kuò)展性強(qiáng)、安全指數(shù)高、便于維護(hù)的特點(diǎn)。并且有多種通訊端口，易于使用。集中器通過RS485總線與采集終端相連，將管理中心的指令傳達(dá)給采集終端。由于集中器采用了高擴(kuò)展性的PC104工控機(jī)作為硬件設(shè)備，所以軟件使用DOS操作系統(tǒng)，并且用C語言作為編程語言。軟件設(shè)計(jì)包括串口初始化和系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置兩個(gè)部分，并且有差錯(cuò)控制，若管理中心發(fā)出的指令一段時(shí)間沒有響應(yīng)則重新發(fā)送，若重發(fā)2次仍然沒有響應(yīng)，則判斷為集中器故障，管理中心提示出現(xiàn)故障。

4.3 采集終端設(shè)計(jì)

采集終端要在集中器的控制下實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)的功能，并且將所記錄的數(shù)據(jù)傳輸給集中器，最終上傳給管理中心進(jìn)行處理。

采集終端最重要的就是執(zhí)行集中器的指令，指令一般有兩類：（1）廣播指令：指與采集終端相連的所有智能水表都要執(zhí)行的指令，如讀出當(dāng)前所有水表的數(shù)據(jù)；（2）單表指令：指某一塊智能水表需要執(zhí)行的指令，如讀出某個(gè)水表的數(shù)據(jù)等。

4.4 智能水表設(shè)計(jì)

智能水表是抄表系統(tǒng)的終端，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）數(shù)據(jù)采集：通過傳感器將水流量轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，記錄用水量；（2）對(duì)于不同的峰、谷時(shí)段，將水量分別記錄；（3）可以設(shè)定商業(yè)用戶和普通用戶，其計(jì)費(fèi)方法不同；（4）欠壓提示當(dāng)水表內(nèi)的電池電壓不足時(shí)，提醒用戶更換電池等。

4.5 RS-485總線

本文對(duì)于采集終端與集中器之間的數(shù)據(jù)傳輸使用RS485總線方式。RS485總線方式如今技術(shù)已經(jīng)非常成熟，它的最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，完全符合本系統(tǒng)的要求。

智能水表裝有RS485接口，再通過RS485總線與基表連接，并連接到集中器上，集中器通過調(diào)制解調(diào)器和電話網(wǎng)相連到管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。在抄收大范圍數(shù)據(jù)時(shí)，將幾個(gè)集中器級(jí)聯(lián)起來，由高級(jí)集中器與PSTN網(wǎng)絡(luò)相連，完成數(shù)據(jù)傳輸。

RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。這樣就減少了干擾，使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

5 系統(tǒng)軟件的功能設(shè)計(jì)

（1）管理中心軟件設(shè)計(jì)。分為用戶管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算三個(gè)部分。實(shí)現(xiàn)用戶資料的錄入、刪除、修改，實(shí)時(shí)抄收水表數(shù)據(jù)，記錄保存數(shù)據(jù)等功能；（2）數(shù)據(jù)分析功能。對(duì)于抄收上來的數(shù)據(jù)，要保證其準(zhǔn)確性，就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，主要對(duì)以下方面進(jìn)行分析：水量數(shù)據(jù)分析即將商業(yè)和居民用戶用水分開計(jì)費(fèi)等。最終將準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳到營業(yè)計(jì)算系統(tǒng)。

6 結(jié)語

基于智能網(wǎng)的自動(dòng)抄水表系統(tǒng)是將分散于用戶的智能水表數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且通過RS485總線，將數(shù)據(jù)傳送到集中器，再通過PSTN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到管理層，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、費(fèi)用計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)費(fèi)用繳納的功能，大大提高了自來水管理部門的抄收效率，并且減輕了工作強(qiáng)度，將用戶用水?dāng)?shù)據(jù)透明化，減少了糾紛的發(fā)生。這一系統(tǒng)適用于對(duì)一個(gè)區(qū)域的水表數(shù)據(jù)的集中管理，該模式具有良好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)推廣價(jià)值。

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作者簡介：繆玉琪，江蘇大學(xué)京江學(xué)院通信工程專業(yè)學(xué)生，研究方向：通信技術(shù)。

（責(zé)任編輯：小 燕）