智能無(wú)線水表的檢測(cè)技術(shù)研究

譚永偉

煙臺(tái)市自來(lái)水有限公司 山東 煙臺(tái) 264000

智慧水務(wù)是智慧城市的主要組成部分，構(gòu)建智慧水務(wù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水、排水以及污水處理的智慧化管理，創(chuàng)建智慧水環(huán)境，助力生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)智慧城市的升級(jí)發(fā)展。未來(lái)，智慧水務(wù)會(huì)與智慧城市發(fā)展體系有效融合，其應(yīng)用重要性也會(huì)逐漸凸顯。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及5G等的應(yīng)用發(fā)展，促使水務(wù)的智慧化水平不斷提高。在智慧水務(wù)的建設(shè)中，智慧水表配置為重點(diǎn)內(nèi)容，通過(guò)提供水表的性能水平，助力水務(wù)智慧化和現(xiàn)代化發(fā)展。

1 智能無(wú)線水表檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

從傳統(tǒng)到水務(wù)管理實(shí)際情況分析，存在著水質(zhì)監(jiān)測(cè)不及時(shí)和檢測(cè)數(shù)據(jù)失真以及信息滯后等各類問(wèn)題。為了能夠滿足工作的具體需求，積極推廣應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，綜合利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和地理信息技術(shù)以及物聯(lián)技術(shù)等，搭建智慧化管理平臺(tái)，為全面管理提供支持與幫助，提高信息化的水平。在水環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)和管理，以及水務(wù)公開(kāi)信息等過(guò)程的科學(xué)化和智慧化管理方面，積極推廣應(yīng)用新技術(shù)，能夠促進(jìn)水環(huán)境質(zhì)量得到改善，并且提高流域水環(huán)境質(zhì)量智能預(yù)警和應(yīng)急處理能力，并且滿足全過(guò)程管理的需求，為水環(huán)境綜合整治提供技術(shù)支撐與保障。目前使用的物聯(lián)水務(wù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程控制，精準(zhǔn)掌握水質(zhì)情況，并且能夠預(yù)警預(yù)報(bào)重大水質(zhì)污染事故。如果發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問(wèn)題，則能夠快速的掌握具體情況，啟動(dòng)緊急應(yīng)急預(yù)案，并且控制突發(fā)事故所帶來(lái)的不良影響，保障城市供水安全。這些功能的實(shí)現(xiàn)需要，智能水表應(yīng)用的支持。通過(guò)實(shí)時(shí)掌握數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而做好相應(yīng)的分析，為水務(wù)管理提供真實(shí)的數(shù)據(jù)。這需要保證水表的準(zhǔn)確性，能夠提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，做好水表監(jiān)測(cè)工作具有重要的意義。通過(guò)利用智能水表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用科學(xué)化、精細(xì)化管理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)水表的全面監(jiān)測(cè)，保證計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而滿足管理工作的需求。

2 智能無(wú)線水表管理系統(tǒng)應(yīng)用的形式

2.1 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的水表使用中需要抄表人進(jìn)行實(shí)地抄表，很容易出現(xiàn)漏超或者錯(cuò)超等情況，消耗很多的人力物力以及財(cái)力，獲得的數(shù)據(jù)信息無(wú)法及時(shí)反饋，且用戶繳費(fèi)不夠便捷。在此背景下智能水表的廣泛應(yīng)用，也成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)?；贚oRa水表抄表系統(tǒng)，主要由終端和中繼以及網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器組成。對(duì)于節(jié)點(diǎn)、中繼以及網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)，使用的是LoRa組網(wǎng)方式，形成智能化系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中后臺(tái)服務(wù)端要求節(jié)點(diǎn)設(shè)備，做好性能參數(shù)的設(shè)置，并且通過(guò)GPRA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)指令與參數(shù)的傳輸，傳輸?shù)交净蛘呔W(wǎng)關(guān)，之后由基站根據(jù)數(shù)據(jù)的信息，匹配節(jié)點(diǎn)設(shè)備。系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)模塊，采取以下兩種方式送到服務(wù)器：1）瞬時(shí)數(shù)據(jù)保存在基站的存儲(chǔ)模塊，經(jīng)服務(wù)器統(tǒng)一采集數(shù)據(jù)信息；2）由服務(wù)器按照設(shè)備的ID地址指定節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

2.2 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的智能水表系統(tǒng)，MCU統(tǒng)一使用的是意法半導(dǎo)體的STM32F10x系列芯片，芯片使用標(biāo)準(zhǔn)Cortex-M3內(nèi)核，擁有強(qiáng)大的外部接口和數(shù)據(jù)處理能力。使用的芯片性能水平很高，并且具有低電壓和低價(jià)格優(yōu)勢(shì)，適用于中小設(shè)備。

節(jié)點(diǎn)設(shè)備的硬件構(gòu)成中，前端攝像頭采集模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行表盤(pán)數(shù)據(jù)的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)化采集。MCU利用SPI接口配置LoRa的運(yùn)行方式和相關(guān)參數(shù)。實(shí)際運(yùn)行中此節(jié)點(diǎn)設(shè)備能夠響應(yīng)服務(wù)器下發(fā)的指令，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街欣^設(shè)備和基站設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)水量的記錄。與此同時(shí)，還可以監(jiān)控水表的運(yùn)行狀態(tài)。按照設(shè)計(jì)的方案，每月開(kāi)展1次抄表以及多次心跳連接，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能要求，同時(shí)可減少能源消耗，電源模塊使用兩節(jié)3600mAh電池供電，主控芯片和LoRa射頻模塊的低功耗模式理論上可以支持節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行3-5年。

使用的中繼設(shè)備，主要是安裝在屋頂與野外空曠地區(qū)。設(shè)置的中繼設(shè)備，能夠互聯(lián)多臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。系統(tǒng)的前端射頻模塊和中繼設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作在同一通信頻段，促使數(shù)據(jù)信息能夠轉(zhuǎn)發(fā)到中繼設(shè)備，達(dá)到延長(zhǎng)通信距離的目的。系統(tǒng)的后端射頻模塊和基站工作在不同頻段上，可滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。通過(guò)如此設(shè)計(jì)，保證中繼和多個(gè)終端通信為時(shí)分信道，中繼間是不同頻率的信道。系統(tǒng)前后端射頻模塊的設(shè)計(jì)，能夠避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)的通信碰撞問(wèn)題。

基站設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信指令的下達(dá)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)各類管理功能。系統(tǒng)的GPRS模塊，如同基站設(shè)備的網(wǎng)關(guān)，對(duì)硬件數(shù)據(jù)信息采用TCP/IP方式進(jìn)行傳輸，傳輸給系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器。通常來(lái)說(shuō)，基站會(huì)設(shè)置在城市中心。完成網(wǎng)絡(luò)搭建后，設(shè)置的中繼設(shè)備能夠自動(dòng)化搜集區(qū)域信號(hào)很好的基站設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，為基站設(shè)備擴(kuò)展了RS232接口，方便后期運(yùn)行維護(hù)。

2.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，關(guān)系到水表系統(tǒng)的智能化水平。此系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于層開(kāi)展自定義協(xié)議設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的無(wú)線抄表方式包括定時(shí)抄表和單播等。在節(jié)點(diǎn)設(shè)備和中繼設(shè)備，以及中繼設(shè)備和基站設(shè)備之間構(gòu)建一對(duì)多的映射關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中便于遠(yuǎn)程服務(wù)器對(duì)硬件設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理，提高了運(yùn)行的水平。

應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的應(yīng)用層軟件，配置的節(jié)電設(shè)備定時(shí)被喚醒，向系統(tǒng)服務(wù)器上傳水表裝置的數(shù)據(jù)信息。也可以利用LoRa網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)輪詢的方法監(jiān)聽(tīng)串口，獲得數(shù)據(jù)信息后經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后，解析數(shù)據(jù)幀中的功能碼，并且執(zhí)行相應(yīng)的功能指令，同時(shí)向服務(wù)器反饋節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)。當(dāng)成功向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)之后，定時(shí)重新再次進(jìn)入休眠模式，減少系統(tǒng)的能源消耗。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

功耗。從水表的功耗情況分析，采用兩節(jié)3600mAh的電池，可以滿足3-5年的使用要求。從系統(tǒng)的功耗情況分析，電路處于正常的工作狀態(tài)時(shí)電流是60mA，能夠滿足設(shè)計(jì)預(yù)算。

抄表測(cè)試。為檢測(cè)智能水表采集系統(tǒng)的有效性，利用部署在阿里云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集，并且錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)。在保證數(shù)據(jù)上傳不丟幀的前提下，系統(tǒng)延時(shí)可以控制在1分鐘可接受范圍內(nèi)，并且系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠保證不錯(cuò)的通信效果。抄表率控制在98-100%內(nèi)。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行快速精準(zhǔn)分析，助力水表遠(yuǎn)程管理。一方面，提高了智能水表管理的水平。另一方面，降低了管理成本?；谥悄芑芾砥脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管理范圍內(nèi)水表運(yùn)行情況的有效監(jiān)測(cè)和控制。

2.4 水表管理系統(tǒng)的應(yīng)用建議

智能水表的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)抄表全自動(dòng)化，使用這類智能水表，即使遇到停電的情況，也不會(huì)影響到計(jì)量工作的開(kāi)展，能夠直接載入字輪的肯定編碼不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)偏差。相比傳統(tǒng)式水表，智能化水表的計(jì)量更加準(zhǔn)確，傳統(tǒng)水表主要采取人工超收和管理的方式，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定時(shí)計(jì)量和處理。使用智能水表管理系統(tǒng)可以在每個(gè)月的定點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，掌握用水情況，做到精準(zhǔn)計(jì)量，并且可以有效處理計(jì)量問(wèn)題，減少誤差的發(fā)生。實(shí)現(xiàn)智能水表應(yīng)用管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，需要配置完善的PC端和移動(dòng)端以及各類軟硬件設(shè)施，滿足計(jì)量工作的需求以及智能化處理的要求。從當(dāng)前使用的智能水表情況分析，還存在著很大的改進(jìn)空間，需要加大技術(shù)的研究，不斷的提高智能化檢測(cè)水平，為精準(zhǔn)計(jì)量提供技術(shù)支持。通過(guò)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，全面提高水表的智能化檢測(cè)水平，創(chuàng)造更多的效益。經(jīng)過(guò)水表及相關(guān)功能的不斷升級(jí)優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)信息計(jì)算的精準(zhǔn)度，助力水表管理的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到高效化應(yīng)用管理的要求。

智能水表的應(yīng)用若能夠?qū)崿F(xiàn)精確計(jì)量以及智能化監(jiān)測(cè)，為水管理提供支持。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控能夠有效地解決管理成本高以及抄表效率低等各類問(wèn)題，全面提高水務(wù)管理水平。為了能夠?qū)崿F(xiàn)水務(wù)管理的智慧化，在具體應(yīng)用中需要做好相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)水表運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)化采集，進(jìn)而強(qiáng)化水表管理。根據(jù)智能水表配置情況進(jìn)行全面分析，結(jié)合遠(yuǎn)程管理工作的需求，加大對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入力度，積極推進(jìn)智慧水務(wù)的建設(shè)，構(gòu)建完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全面提高管理水平。目前可以采用的智能無(wú)線水表檢測(cè)技術(shù)手段有很多，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際需求做好對(duì)比分析，優(yōu)選適宜的技術(shù)和裝置，構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)多樣化功能，滿足水務(wù)智慧化管理工作的需求。與此同時(shí)，還需要做好系統(tǒng)建設(shè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，保證智能無(wú)線水表檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)全面嚴(yán)格有效的控制，最大程度上保證智能無(wú)線水表應(yīng)用的功能。對(duì)智能無(wú)線水表應(yīng)用情況進(jìn)行全面的檢查，及時(shí)掌握裝置應(yīng)用的不足，進(jìn)行優(yōu)化和完善，保證遠(yuǎn)程監(jiān)控的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。積極推廣應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)手段，輔助遠(yuǎn)程監(jiān)控，全面提高水表智能化管理水平，創(chuàng)造更多的效益，達(dá)到降本增效的目的。

3 智能無(wú)線水表檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 用水量檢測(cè)技術(shù)

智能無(wú)線水表檢測(cè)工作的開(kāi)展，需要對(duì)用水量情況進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的機(jī)械水表主要是利用內(nèi)心中的葉輪，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)使得水表進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，進(jìn)而獲得水流量。在實(shí)際應(yīng)用中逐漸體現(xiàn)出很多缺陷，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。智能無(wú)線水表在傳統(tǒng)水表的基礎(chǔ)上引入了信息化技術(shù)手段，增加使用了智能傳感器，通過(guò)傳感器的數(shù)據(jù)信息采集和測(cè)量分析，進(jìn)而將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為計(jì)量脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，能夠有效地增加測(cè)量結(jié)果的精確性，并且能夠快速高質(zhì)量地傳遞數(shù)據(jù)信息，這些功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)各類傳感器的支持，常用的磁感式傳感器主要是利用葉輪上設(shè)置的磁鐵、微型干簧管等，在水流的沖擊下，葉輪會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且利用傳感器通過(guò)單片機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械累計(jì)計(jì)量的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成為電脈沖信號(hào)。根據(jù)頻率脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果，精準(zhǔn)測(cè)量用水量。從實(shí)際應(yīng)用的情況來(lái)說(shuō)，使用磁感式傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且耗電量很低，不過(guò)也會(huì)受到磁場(chǎng)的影響產(chǎn)生干擾問(wèn)題，影響到數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)使用電感式傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的檢測(cè)。此類傳感器主要借助振動(dòng)信號(hào)的衰減規(guī)律，分析水量計(jì)量的結(jié)果[1]。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，采用磁激勵(lì)，因此葉輪的機(jī)械阻尼很小，并且具有很好的抗干擾能力，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。當(dāng)前線圈制作以及相關(guān)技術(shù)水平不斷提高，使得電感式傳感器被廣泛應(yīng)用。除了上述傳感器之外，還使用直讀式傳感器，包括光電式傳感器和機(jī)械式傳感器。其中，光電式傳感器主要是根據(jù)光的反射定律將激光管的位置固定，利用接收輪輪齒上或者齒槽輪內(nèi)反射的激光脈沖，經(jīng)過(guò)調(diào)解之后變成電脈沖信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的計(jì)算，獲得最終的檢測(cè)結(jié)果。因?yàn)榧夹g(shù)的成熟度很高，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)因?yàn)闄C(jī)械阻尼很大，自身的可靠性和穩(wěn)定性還面臨著很多的挑戰(zhàn)。為了能夠保障智能水表檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要結(jié)合具體情況設(shè)置相應(yīng)的傳感器，滿足測(cè)量作業(yè)的需求，保障數(shù)據(jù)信息的質(zhì)量[2]。

3.2 通信技術(shù)

智能無(wú)線水表檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用離不開(kāi)通信技術(shù)的支持，影響到數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男省鹘y(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用中采用的方法存在著不變結(jié)合、傳輸速度慢等問(wèn)題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的通信模式需要現(xiàn)場(chǎng)布線。除此之外，還會(huì)受到環(huán)境的影響，使得檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸面臨很多挑戰(zhàn)。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出很多高水平的通信技術(shù)，尤其是在5G技術(shù)的應(yīng)用支持下，使得很多通信方面的問(wèn)題得到有效的解決。實(shí)際應(yīng)用中，使用GPRS技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)通信，主要是借助通信基站完成信號(hào)的傳輸，能夠解決遠(yuǎn)距離通信到挑戰(zhàn)。此技術(shù)手段主要是利用授權(quán)頻段，有著很好的抗干擾能力，并且保障了信號(hào)的安全性。不過(guò)此手段也會(huì)存在著功耗大以及不具備實(shí)時(shí)雙向通信能力的缺陷，需要加以完善。使用的NB-loT通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有很強(qiáng)的信號(hào)覆蓋能力，并且覆蓋范圍比較廣泛[3]。從實(shí)際應(yīng)用的情況來(lái)說(shuō)，具有精準(zhǔn)度高的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。目前來(lái)說(shuō)，通信技術(shù)手段不斷優(yōu)化和完善，為智能水表檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供了更多支持與保障，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。合理選擇通信方案，保證方案的可行性以及應(yīng)用效果，全面提高通信質(zhì)量水平[4]。積極推廣應(yīng)用現(xiàn)代化通訊技術(shù)手段，通過(guò)配置完善的軟硬件設(shè)施，搭建高水平的通訊系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效益水平，為水表檢測(cè)工作的開(kāi)展提供有力的支持和保障。對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)細(xì)節(jié)和要點(diǎn)，做好全面嚴(yán)格優(yōu)化，促使系統(tǒng)應(yīng)用水平和效率得到提供，創(chuàng)造更多的效益和價(jià)值，助力無(wú)線水表檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，適應(yīng)智慧水務(wù)的發(fā)展，發(fā)揮更多的價(jià)值和作用，創(chuàng)造更多的效益。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能無(wú)線水表檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)構(gòu)建完善的檢測(cè)系統(tǒng)，促使水表計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，同時(shí)延長(zhǎng)水表的使用性能。未來(lái)，隨著智能無(wú)線水表檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)水平不斷提高，檢測(cè)技術(shù)會(huì)更加科學(xué)可靠，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性也能夠得到保障，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。