物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能水表系統(tǒng)建構(gòu)

張蓓

[摘? ? 要]水表是供水企業(yè)營(yíng)銷(xiāo)管理過(guò)程中的基礎(chǔ)性計(jì)量工具，關(guān)系到整個(gè)供水企業(yè)的水量計(jì)算與費(fèi)用生成。在以往主要使用的是基于無(wú)線技術(shù)的水表，受其功能大、信號(hào)覆蓋低等特點(diǎn)的影響，增加了水務(wù)部門(mén)對(duì)水資源的管理難度?；诖?，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，以重慶巨泰物聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)提供的某系列智能水表為例，通過(guò)介紹物聯(lián)網(wǎng)智能水表應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為解決以往遇到的問(wèn)題，從硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)各方面對(duì)智能水表進(jìn)行系統(tǒng)建構(gòu)，經(jīng)過(guò)應(yīng)用后得到該系統(tǒng)可以滿足居民可以及時(shí)掌握用水情況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水務(wù)部門(mén)對(duì)水表智能化管理，為未來(lái)新型智能城市建設(shè)與發(fā)展提供技術(shù)幫助。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng);智能水表;信息采集;系統(tǒng)建構(gòu)

[中圖分類號(hào)]TP391.44 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）10–000–03

The Construction of Smart Water Meter System Under the Internet of Things Technology

Zhang Bei

[Abstract]Water meter is a basic measurement tool in the marketing and management process of water supply enterprises， and is related to the calculation of water volume and cost generation of the entire water supply enterprise. In the past， water meters based on wireless technology were mainly used. Due to their large functions and low signal coverage， it has increased the difficulty of water management for water resources. Based on this， this research is based on the Internet of Things technology， taking a series of smart water meters produced by our company as an example， and introducing the advantages of smart water meters of the Internet of Things， in order to solve the problems encountered in the past， from the hardware system and the software system. Facing the construction of a smart water meter system， after application， the system can satisfy residents to grasp the water consumption situation in time， and at the same time realize the intelligent management of water meters by the water affairs department， providing technical assistance for the construction and development of new smart cities in the future.

[Keywords]Internet of Things; smart water meter; information collection; system construction

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感媒介，按照相關(guān)約定協(xié)議進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化各項(xiàng)功能。近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)、醫(yī)療及物流等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下所生產(chǎn)的智能水表是一款新型智能化水表，該水表與傳統(tǒng)水表使用方式不同，可以解決以往使用功耗大、網(wǎng)路覆蓋面小計(jì)數(shù)據(jù)安全性低等問(wèn)題。目前，由于城市化建設(shè)進(jìn)程較快，新裝水表與水表維護(hù)的工作量逐漸增多，為了實(shí)現(xiàn)水務(wù)公司對(duì)水表管理工作精細(xì)化與智能化，需要對(duì)智能水表系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程控制。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下智能水表應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)智能水表是一種利用現(xiàn)代現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行科學(xué)計(jì)量，并對(duì)用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。該水表與傳統(tǒng)機(jī)械水表與智能水表不同，具有安全簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)及數(shù)據(jù)易于收集與分析等特點(diǎn)。同時(shí)與一般只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的水表功能相比，有很大的進(jìn)步。而智能水表除了按照約定協(xié)議進(jìn)行用水量控制外，還可對(duì)用水量進(jìn)行記錄和電子顯示，而物聯(lián)網(wǎng)水表在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，且在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中應(yīng)用廣泛。用戶只需要請(qǐng)專業(yè)人員將水表安裝在管道上即可。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下智能水表系統(tǒng)建構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)智能水表系統(tǒng)建構(gòu)，從整體框架上看主要由4部分構(gòu)成，即無(wú)線傳感器、無(wú)線傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)智能水表對(duì)用水信息數(shù)據(jù)的獲取，主要通過(guò)無(wú)線傳感器完成。當(dāng)無(wú)線傳感器介紹到相關(guān)命令后，之后各組成模塊之間相互配合，采集、傳輸及綜合分析居民水表使用數(shù)據(jù)。該水表使用特點(diǎn)與傳統(tǒng)水表最大的不同是，水表數(shù)據(jù)可以直接傳送到連接云端，可以直接對(duì)居民用水情況了解，不需要去居民所在地“抄水表”。

從該水表系統(tǒng)整體框架看，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)水表數(shù)據(jù)信息的獲取與傳輸，主要通過(guò)感知層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層及表示層實(shí)現(xiàn)，具體流程圖，如圖1所示。

2.2 硬件系統(tǒng)建構(gòu)

2.2.1 用水流量采集

本次研究中關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)智能水表研究，使用的是以重慶巨泰物聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的單片機(jī)為主芯片。由于用戶安裝水表的主要功能是及時(shí)了解用水情況。而用戶對(duì)所有用水?dāng)?shù)據(jù)從采集到處理分析都通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)水表硬件模塊采用超聲波換能器獲得水流量信號(hào)，之后采用硬件系統(tǒng)芯片測(cè)量管內(nèi)聲波情況，再將獲得的時(shí)差信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的流量信號(hào)，同時(shí)在每段流量范圍內(nèi)對(duì)硬件實(shí)施修補(bǔ)、軟件修正，以此達(dá)到符合要求的測(cè)量精度。目前使用的物聯(lián)網(wǎng)智能水表流量采樣主要分為3種模式，具體如表1所示。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能水表安裝，流量校準(zhǔn)十分必要。一般情況下，水流量誤差不能超過(guò)正常的20 %。而在測(cè)量水流量過(guò)程中，基于檢定模式下測(cè)量若超過(guò)10 s，需要重新再次進(jìn)行測(cè)量，在此過(guò)程中測(cè)試流量與累積流量之間互不影響，且從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。

2.2.2 用水溫度采樣

在實(shí)際情況中，居民對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能水表的應(yīng)用，不但可以及時(shí)了解到自身的用水情況，還可以了解到所用水的溫度情況。一般而言，物聯(lián)網(wǎng)智能水表采用的是Pt1000的溫度傳感器，通過(guò)恒流式測(cè)溫電路，并將聲速反推溫度作為后補(bǔ)。對(duì)用水溫度采樣按照水流量采樣模式相同，其中在用戶模式下的采樣頻率為30 s，而剩余的兩種模式采樣頻率為6 s。其中前者模式是降低水表整機(jī)的功耗，而后者是保證測(cè)量的精度。在實(shí)際情況下，若溫度傳感器發(fā)生故障，相關(guān)設(shè)備則會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)表計(jì)溫度采用聲速反推方式確定，從而保證流量可以正常進(jìn)行。

2.2.3 系統(tǒng)通訊與無(wú)線數(shù)據(jù)采集

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，智能水表通信系統(tǒng)模式主要由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及內(nèi)置設(shè)備卡及無(wú)線通信模塊共同組成。其中的水表無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所使用的是主流通信芯片，并且使用網(wǎng)狀拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水表終端各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行收集并通過(guò)相關(guān)傳輸設(shè)備上傳到遠(yuǎn)程控制中心。此次研究中智能水表硬件處理器使用的是單片機(jī)，其具有明顯的低電壓、超低功耗能等特點(diǎn)，可以滿足低頻工作模式與各種中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求。而關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)智能水表數(shù)據(jù)收集，主要在感知層將收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模塊轉(zhuǎn)換，即將收集的數(shù)據(jù)信息傳遞給移動(dòng)GSM卡無(wú)線傳輸模塊，經(jīng)過(guò)相關(guān)協(xié)議命令的執(zhí)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。最后，將收集到的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)打包，以數(shù)據(jù)包形式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)到控制中心。

2.3 軟件系統(tǒng)建構(gòu)

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)智能水表軟件系統(tǒng)的建構(gòu)，是基于硬件設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用編程C語(yǔ)言，在ARM嵌入式平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，如圖2所示，是系統(tǒng)軟件主要流程圖。當(dāng)智能水表上電復(fù)位之后，可通過(guò)系統(tǒng)流程根據(jù)用戶用水條件，做出相應(yīng)命令后進(jìn)行扣費(fèi)處理及中斷關(guān)閉閥門(mén)處理。當(dāng)遇到居民用戶余額為0時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)關(guān)閉閥門(mén)，中斷用戶給水。若系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)中斷，系統(tǒng)則會(huì)處于低功耗模式狀態(tài)。目前，關(guān)于智能水表軟件系統(tǒng)建構(gòu)，除了主程序外，還包括故障處理程序、LED顯示程序等，各個(gè)程序之間相互協(xié)調(diào)完成用戶用水監(jiān)測(cè)工作。

2.3.1 系統(tǒng)初始化

當(dāng)水表軟件系統(tǒng)上電復(fù)位后開(kāi)始系統(tǒng)初始化，當(dāng)軟件系統(tǒng)初始化之后，可設(shè)置TIM2定時(shí)器，讀取主控芯片中所連接的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的一些參數(shù)，比如端口、IP域名采集周期等，之后進(jìn)行正常使用。

2.3.2 建立連接

當(dāng)系統(tǒng)初始化之后，查詢是否建立好相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，若建立好可進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)路系統(tǒng)連接，通過(guò)發(fā)送的相關(guān)連接指令，向物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)平臺(tái)注冊(cè)相關(guān)的設(shè)備信息，建立有效連接，進(jìn)行流量傳感信號(hào)分析處理。

2.3.3 采集數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)收集主要通過(guò)傳感器模式采集信息與信息進(jìn)行接收、處理及傳送。其中，系統(tǒng)將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼、操作及返回處理。當(dāng)水表系統(tǒng)終端收集到使用水的各參數(shù)信息后，將所有的數(shù)據(jù)存入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)之中。在此過(guò)程中，防止斷網(wǎng)與數(shù)據(jù)發(fā)送丟失情況的存在，需要將定時(shí)器設(shè)置好，通過(guò)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)建立聯(lián)機(jī)，再發(fā)送當(dāng)前水表流量，待發(fā)送成功之后進(jìn)行低功耗睡眠階段。

2.3.4 數(shù)據(jù)接收處理

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能水表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)接收處理，主要是將接受到的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的信息指令，這些數(shù)據(jù)均支持海量數(shù)據(jù)并發(fā)，保證數(shù)據(jù)不存在丟失的可能。同時(shí)，該平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可直接存儲(chǔ)。在此過(guò)程中對(duì)接受到的特殊數(shù)據(jù)，需要按照指定完成相關(guān)的操作。比如若系統(tǒng)顯示余下額度為0時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)等待中斷，待做好相應(yīng)的扣費(fèi)處理工作后，完成水表設(shè)備的刪除、禁用及注冊(cè)等管理后，再發(fā)送當(dāng)前水表流量，成功之后可進(jìn)入低功能睡眠模式，最后可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水表閥門(mén)開(kāi)關(guān)的控制。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下智能水表系統(tǒng)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)智能水表系統(tǒng)與的建構(gòu)，之后將該系統(tǒng)應(yīng)用于某新建小區(qū)中。該水表不僅安裝方便，系統(tǒng)使用信號(hào)覆蓋面積較廣，可以成功采集到每戶所居住人員的用水量，方便小區(qū)業(yè)務(wù)管理人員從后臺(tái)終端實(shí)現(xiàn)用水量的統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還可以根據(jù)水表電量提示，對(duì)電池進(jìn)行及時(shí)更換，避免系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集受到阻礙。例如，在低功耗測(cè)試中，所測(cè)試的3個(gè)小區(qū)整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)功耗為20 ?A以下，符合當(dāng)前國(guó)家規(guī)定的25 ?A要求，整個(gè)系統(tǒng)平均功耗為60 ?A。若采用的電池容量為3000 mA·h，該水表可使用5a以上，滿足了低功耗的需求。可見(jiàn)，物聯(lián)網(wǎng)智能水表應(yīng)用前景良好，值得推廣使用[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，加上“一戶一表”理念的提出，物聯(lián)網(wǎng)智能水表得到廣泛的應(yīng)用?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)下，該智能水表通過(guò)發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)，將用戶、水表及水務(wù)等相互連接構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的體系。由于該水表與傳統(tǒng)的機(jī)械師水表不同，具有智能化、便捷式及實(shí)用性的特點(diǎn)，因而取得廣泛應(yīng)用。目前，城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大，為了實(shí)現(xiàn)該水表對(duì)用戶用水情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文通過(guò)對(duì)智能水表系統(tǒng)建構(gòu)與應(yīng)用，得出該系統(tǒng)可以滿足居民及時(shí)掌握用水情況的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水務(wù)部門(mén)對(duì)水表智能化管理與調(diào)度，在未來(lái)智能城市化建筑與發(fā)展中可應(yīng)用。

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