一種新型智能水表抄表系統

摘 要：由抄表人員逐戶查抄表的傳統方式，需要消耗大量的人力、物力，且采集數據的時間跨度大，準確度低。針對此問題，文中設計了一種用于水表抄表的新型智能系統，該方式采用微處理器作為數據處理的核心平臺，結合低成本的ZigBee無線組網技術與PSTN網絡，來構建智能系統的通信結構，并針對ZigBee無線組網覆蓋面積小的不足，設立了小區集中器，極大地拓寬了該智能抄表系統的有效覆蓋區域。該智能抄表系統，不僅可以降低抄表成本，而且可以實現水表管理的集中化與智能化，具有重要的實際應用價值。

關鍵詞：水表抄表；智能系統；ZigBee無線網絡

中圖分類號：TP391文獻識別碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0016-03

0引言

隨著住宅單元化和高層化，供水企業的抄表工作面臨巨大的挑戰，一方面人戶難，另一方面抄表工作量急劇上升。實現水表數字化和抄表自動化，已成為供水企業亟待解決的難題[1-2]。當前水表自動抄表系統主要有三大類型：智能卡式、有線自動抄表式、無線智能式[1-4]。智能卡水表不實行抄表，也無聯網，因此難以監控把握供水的調度和均衡，制約了其普及。有線自動抄表系統單純從技術上講較成熟，目前市場上各抄表開發系統的公司多用此型，但該系統需要鋪設專門的通信電纜，存在繁重的布線問題，維護困難，因此成本較高。在無線智能式抄表系統中，數據通過無線方式實現接收和發送。此類水表無需敷設線路，維護與安裝方便，大多數使用國際標準無線頻率和自制的專用通信協議[4]。隨著技術水平的發展，智能水表已經越來越多地走進千家萬戶，而在上述諸多方案中，無線遠傳的方案正越來越多的受到業界的廣泛關注[2-3，5]。

本文結合有線自動式與無線式抄表系統各自的優點，設計了一種新型智能水表抄表系統（Intelligent Water-meter Reading System，以下簡稱IWRS）。該系統由采集器采集底層水表數據，通過ZigBee無線技術實現采集器與小區集中器間的數據通信，再利用電話網（以下簡稱PSTN）將集中器的數據傳送給抄表中心的監控服務器。采用PSTN進行集中器與服務器間的數據傳輸，具有速度快、傳輸數據量大等優點，非常適合合于水表抄表這樣采集點數量多、范圍廣、距離遠的系統采用。同時，本文所提出的IWRS可實現多套水表數據的同步抄送，從而充分利用通信設備，節約成本。

1智能抄表系統結構

IWRS的系統結構框圖如圖1所示。IWRS主要由智能水表、多用戶共享采集器、小區集中器、主站服務器等4部分構成。每戶居民家設置一只智能水表，智能水表采集到的用水量數據通過RS-485總線定期發送至采集器。采集器通過無線ZigBee網絡與小區中心的集中器進行數據通信，小區集中器的存在可以極大的拓寬該智能抄表系統的覆蓋區域。利用PSTN最終將系統服務器與分散于各物業小區的集中器連接，形成1對η的連接形式，實現集中器和數據中心系統的實時在線連接。在設計過程中，IWRS主要分為四大模塊：智能水表采集模塊、共享采集器模塊、小區集中器模塊以及ZigBee無線模塊。

圖1系統結構簡圖

2智能水表采集模塊的設計

智能水表采集模塊采集數據的對象是普通機械式水表，本文采用光電傳感器進行水表用水量的監測[6]，通過微處理器（以下簡稱CPU）進行數據的處理及外部通信[7]，其結構框圖如圖2所示。從圖2可以看出，整個采集模塊塊由光電傳感器、脈沖整形電路、微處理器單元、看門狗芯片（X5045）、供電電源、通信單元及穩壓電路等組成。

圖2采集系統結構框圖

本文采用流量監測單元進行用戶用水量的監測，水表計數轉盤每轉動一圈，光電傳感器接收到一次激勵信號，并傳送出一個計量脈沖，假設轉盤每轉動一圈對應的流量為q m3，則一個計量脈沖對應的流量也為q m3。根據此原理，可得用戶用水量為：

（1）

式中， 為一段時間間隔內用戶的用水量， 為一段時間內的脈沖累加數，q稱為基表系數。

計數脈沖經過整形電路整形后送入微處理器芯片進行數據的處理，CPU將采樣得到的計數脈沖進行實時累加，其計數觸發采用中斷方式，即：來一個脈沖就觸發中斷一次，在中斷服務程序中對內部RAM的脈沖數增一。將累加值乘以基表系數即得到累計流量值，再將累計流量值從十六進制數轉換成十進制數，然后進行從高到低的逐位拆分并轉換成ASCII碼依次存放到數據緩沖區。當通訊接口電路啟動有效通訊請求時，CPU將數據緩沖區的數據從高到低依次串行送入通訊接口電路的相關單元，完成數據的外傳通信。

整個采集模塊由DC-DC和穩壓單元供電，DC-DC變換器提供整個微處理器的電源，而穩壓電路提供通信單元的光耦隔離的電源。后端的共享采集器定時對每個智能水表的采集模塊進行通信采集，采集數據包括用戶的用水量及相應信息。前端采集塊掉電后，備用電源對微處理器進行供電，以保證用水量的實時采集，避免不必要的損失。該采集模塊有兩種工作狀態：空閑狀態和正常工作狀態，當相鄰兩個采集中斷間隔時間超過規定時間時，模塊則進入空閑工作狀態。

3收據共享采集器模塊的設計

數據共享采集器由電源電路、微處理器、看門狗電路、前向和后向通信接口電路及備用電源等組成，其原理簡圖如圖3所示。主要電路功能如下：

3.1前向通信單元

該通信單元實現該采集器模塊和前端各用戶智能水表之間的連接，采用RS-485總線與智能水表進行數據通信，其通信方式為主從式總線結構。

圖3采集器結構框圖

3.2后向通信單元

該通信單元是該采集器模塊與小區集中器之間的通信接口電路，采用ZigBee無線網絡建立數據共享采集器與小區集中器之間的通信。

3.3備用電源

本級備用電源的目的就是當本級出現掉電情況時，備用電源能使微處理器繼續工作一段時間，以避免出現數據丟失的現象，特別是保證將匯集的數據存儲于E2PROM之中。

3.4定時電路

定時電路是由專門的定時芯片設計而成的，本文采用一種多功能時鐘芯片PCF 8563[8]。其目的是觸發微處理器周期性采集各用戶的用水量信息以及各水表的工作狀態信息。假設該周期為十分鐘，則每隔十分鐘，采集器就會對各用戶水表進行巡檢，并根據命令提供水表的相關數據。該定時電路的原理簡圖如圖4所示。

圖4定時電路原理圖

該采集器作為智能水表和小區集中器之間的一個中間轉換模塊，其主要作用：一是匯集各用戶智能水表采集得到的各用戶用水量數據及相應信息，并保存各戶數據以備上一級調用，同時周期性的檢測各智能水表的工作狀態，以及時發現出現故障的智能水表，盡可能的減少供水企業的直接經濟損失；二是把匯集來的各用戶用水量數據和水表狀態通過通信單元送往上一級，即小區集中器。

4ZigBee無線模塊設計

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案。ZigBee技術可采用的拓撲模型有星型、簇狀樹形和網格（Mesh）型[2]。主要用于近距離無線連接，適合于自動控制和及遠程遙控領域，適用于無線水表抄表系統。

構建具有無線通信功能的ZigBee節點，所需的主要硬件為：微處理器及其外圍功能電路、一塊符合ZigBee協議的芯片以及天線部分。本文選用的無線傳感節點平臺的核心是具有高度集成性的ZigBee芯片MCl3213，該芯片集成了1個符合IEEE 802.15.4協議的2.4 GHz收發器和飛思卡爾公司的低電壓低功耗HCS08微處理器，具有體積小，成本低廉的優點。一個完整的ZigBee無線系統主要包括ZigBee芯片，射頻天線，LED顯示電路，鍵盤電路和電源電路等，其結構簡圖如圖5所示。

圖5ZigBee模塊簡圖

ZigBee無線模塊的通信方式可選用Beacon的方式，使得總站能夠隨時隨地的了解每個ZigBee節點的狀態，同時該方式可以有效的減少無謂的通信。Beacon方式分成若干時間段（Slot），ZigBee節點只在規定的Slot時間與路由器（Router）或者調節器（Coordinator）進行通信，以使RF模塊在大部分時間也處于低功耗的狀態，降低系統的功耗[2]。

5小區集中器模塊設計

小區集中器與收據共享采集器相類似，是采集器和后臺主機之間數據的一個中轉站。由于ZigBee覆蓋的區域范圍有限，小區集中器的設置可以極大的拓寬該智能抄表系統的覆蓋區域。工作過程中，利用ZigBee無線傳輸技術，小區集中器將其覆蓋的小區內的采集器周期性采集的數據匯集到該集中器中。同時，隨時應答后臺主機服務器的呼叫，采用PSTN將匯集的數據送入后臺服務器進行管理，完成相應的任務。

跟采集器一樣，小區集中器由微處理器、E2PROM存儲器與RAM存儲器、復位電路、前向通信接口電路、后向通信接口電路、電源電路、備用電源、定時電路及看門狗電路等組成，其結構框圖如圖6所示。前向通信單元負責通過ZigBee接收器和前級的采集器進行通信，后向通信單元則通過PSTN實現該級和后臺主機服務器間的通信任務。

用戶水表數據與相關信息的安全存儲對于本文設計的IWRS極為重要，考慮到該系統正常工作中不斷的有大量的信息需要存儲。因此，本文選用CMOS系列E2PROM―CAT24WC02存儲器，其原理圖如圖7所示。該存儲器的數據總線采用I2C傳輸協議，具有功耗低、壽命長的優點[6]，適用于本文所設計的智能抄表系統。

圖6小區集中器結構框圖

圖7E2PROM存儲器原理圖

6結語

結合有線自動式與無線式抄表系統各自的優點，設計了一種新型智能水表抄表系統。采用微處理器作為數據處理的核心平臺，結合低成本的ZigBee無線組網技術與PSTN網絡，構建了該智能系統的通信結構，針對ZigBee無線組網覆蓋面積小的不足，設立了小區集中器，極大的拓寬了該智能抄表系統的有效覆蓋區域。本文所設計的智能抄表系統具有使用方便、成本低，安裝方便、集中抄表范圍廣等優點，是一種理想的水電部門水電生產、計量和管理的自動化方式，具有重要的實際應用價值。

參 考 文 獻

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