與數字化城市相配套的水表數據采集系統

孫曉宇

摘 要：該文描述了一種城市自來水數據自動采集系統的構成方式。論述了直讀式電子水表，采集板、集中器的原理和功能，通過多種總線傳輸和無線通信技術，實現了整個城市水表數據準確及時的采集和匯總。

關鍵詞：自來水表采集系統 直讀水表 采集板 集中器

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（c）-0102-02

我國是一個缺水嚴重的國家。全國600多座城市中，已有400多個城市存在供水不足問題。所以每個城市的水資源合理的管理和應用，就擺在了一個尤其重要的位置。

我國傳統的自來水計量收費管理，大多采用機械式的字輪或指針水表，自來水單位的抄表員登門入戶進行人工抄表收費的方式，這種收費方式存在著許多弊端，例如：擾民、無法入戶、誤讀數等，這樣就使得水的計量數據采集的不及時、不準確，加劇了供需矛盾，也無法進行量化管理。因此，城市自來水計量的準確、及時是有著很大的經濟和社會意義的。

該文論述的采用直讀式電子水表，利用多種總線傳輸技術、無線通信技術、和計算機技術組成的城市自來水水表數據采集系統，能夠實現整個城市水表數據的準確、及時的采集、匯總。為數字化的精準管理提供了可靠數據。

1 系統的組成

城市建設中有老建筑和新建筑的小區，建筑的密度也多種多樣，地理地勢情況比較復雜，因此要經濟合理的組建城市自來水水表數據采集系統，就要利用現有的先進技術，因地制宜。我們組建的系統如圖1。

圖1中描述了整個系統的構成，各方塊圖之間的傳輸方式選擇是從經濟性、可靠性和安裝維護方便而優化選擇的。各種傳輸方式的比較如表1。

2 直讀式水表

直讀式水表是在普通干式或濕式水表中加入光電編碼器構成的。光電編碼器是采用傳感器技術，將水表內部機械字輪上插入5對透射光耦，機械字輪上刻有可透光的光柵，光柵的大小是與字輪上的0～9的數字成一定的邏輯關系，因而5對光耦接收到的光電編碼就對應著機械輪上所顯示的數字位置。

直讀水表內置單片機系統，具有以下功能：（1）讀取光耦的編碼數據，通過二進制位置解析程序計算出機械字輪上顯示的數字；（2）自動檢測水表的工作狀態，有故障等異常信息及時上報；（3）通過M-Bus總線接口上傳水表的各種數據和狀態編碼。每個水表都有唯一的地址編碼，用來識別水表，該地址碼可以通過M-Bus總線進行更改和設定。

通過直讀式水表的原理結構可知，直讀表具有以下優點：（1）只需在讀表瞬間通電，因而功耗低，不需要自備電池；（2）獲得的代碼速度快；（3）在字輪轉到兩個數字之間時，肉眼難以確認哪個數字，而直讀表可以將其準確讀出；（4）讀數始終與機械字輪上顯示的數字一致，即克服了干簧管脈沖水表容易造成的采集數據與表針數據不一致的缼陷。

3 采集器

采集器是實現多個水表與集中器數據傳輸的中間設備，它由MSP430系列單片機控制器、M-Bus總線電路、RS485總線電路、RF無線數傳模塊、ZigBee無線收發模塊電路組成。

采集器與水表采用M-Bus總路線電路連接。M-Bus總線是由兩條無極性傳輸線來同時供電和傳輸串行數據，可以并聯和星形連接，因此布線和連接結構簡單，施工方便。

M-Bus總線電路的供電電源為±24V，發送端利用傳輸的數字信號控制導線內的電流變化，接收端通過檢測導線內的電流變化還原成數字脈沖電壓信號。M-Bus總路線電路傳輸信號的脈沖幅度高，電流大，具有很高的抗干擾能力，所以在一般的民宅樓宇內連線不用采用屏蔽電纜和特殊導線，只用普通導線即可。但在工廠強電磁干擾區內，建議使用屏蔽電纜。

M-Bus總線上的每臺水表都有一個唯一的地址識別碼，采集器通過每臺水表的地址碼來識別讀取各個水表的數據。由于M-Bus總線信號電壓電流幅度較大，而且是半雙工串行數據傳輸，因而傳輸的速度較慢，由于每臺水表傳輸的數據量很少，花費的時間不多，所以采用M-Bus總線，即安全可靠，又降低了成本。

設計一條M-Bus總線上最多能連接50個終端，也就是說一臺采集器所能連接的直讀表數為≤50個，為了能連接更多的直讀水表，就需要使用多個采集器連接水表。所有采集器上的RS485總線接口是并聯在一起的，每個采集器都有自己唯一的地址，對于主從式通信系統，無論是M-Bus總線，還是RS485總線，它們都是一種半雙工通信總線，因從機之間不能直接交換信息，所以當水表總數大于50個數量時，相應的接入集中器管理所有樓宇內的采集器，以便能夠管理所有的水表。

4 集中器

集中器是實現多個采集器與中央管理控制中心數據交換的中間設備，它由ARM控制器、RS485總線電路、GPRS模塊、以太網接口電路組成。

集中器管理各采集器并將其數據讀取到自己的數據管理系統中儲存，以供中央管理控制中心隨時讀取。采用集中器可以使得各采集器并行工作，提高了水表數據的采集速度。集中器與采集器之間采用RS485總線連接，與中央管理控制中心之間采用GPRS無線網轉送以太網的方式，這樣只要GPRS能覆蓋的地區，集中器隨時都可將已存儲的數據上傳到中央管理控制中心。

集中器上的DTU（Data Terminal unit）數據傳輸單元，是專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據的無線終端設備。GPRS DTU就是用GPRS網絡來傳輸數據的設備，它采用工業級嵌入式處理器，內嵌TCP/IP協議棧。為用戶提供高速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡

集中器通過DUT建立可靠的通訊通道，處理和交換中央控制器與水表單元間的數據信息。可根據需求配置為每月的每天、某一或兩天的某一時間定時自動抄表，也可令區域集中器操作采集器和水表單元，提取某水表單元的最新數據。這一套完整系統的建立可在最大程度上簡化操作過程，實現真正意義上的足不出戶、智能抄表。endprint

5 無線抄表車

對于GPRS覆蓋不到和老建筑不方便施工改造的區域，可使用流動的無線電臺車抄系統，實現城市全區域的覆蓋。

無線電臺車抄系統就是在汽車上，安裝了配有筆記本電腦或集中器，加上RF無線收發模塊和GPS定位系統。當汽車GPS定位到達目標區域時，車載筆記本電腦或集中器自動通過連接的RF無線模塊向采集器上的無線收發模塊發出采集命令，進行數據采集。若將所有采集器的數據采用Zigbee的方式組網，與筆記本電腦或集中器之間進行無線傳送，覆蓋的范圍會更大，效率提高地會更顯著。

6 自來水公司中央管理控制中心

自來水公司中央管理控制中心是城市供水服務平臺，是整個城市用水的調控中心，由于它配備了全城市區域的水表數據采集集系統，所以就能夠及時準確掌握全市、各區域和各點的用水情況。可在線進行供水管網壓力監測及供水能耗分析，合理的進行水資源的調配。

利用采集的數據可計算出總表的水量、分量水表的總和，系統會自動對用水輸差進行計算，監測水表故障和發現管網泄露現象，并主動報警。自動遠程監測和分析用水情況，及時發現用戶泄漏水情況，從多方面降低水司損失。對于現場水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根據采集數據快速生成各種實時報表，及時匯總、分析，制定解決問題的策略方案。它也可以遠程管理城市內的每一塊水表，包括水表信息、水表狀態、水表指針等。

在現有的網絡技術平臺上，面向廣大的供水企業和用戶，提供城域化遠程抄表、水務遙測及日常營業管理服務，到那時，可以足不出戶，在家中就可以通過互聯網檢測到自家的水表信息，水費計量金額。

7 結語

該系統充分利用了現有的科學技術和先進的產品，經濟可靠的組成了城市自來水水表數據采集系統，經實際應用檢驗，運行準確可靠，便于推廣應用。

參考文獻

[1] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單位片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.11：113-130.

[2] 肖廣兵，萬茂松，羊玢.ARM嵌入式開發實例[M].基于STM32的系統設計，北京：電子工業出版社，2013：28-35

[3] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北就：國防工業出版社，2008：13-22.endprint

5 無線抄表車

對于GPRS覆蓋不到和老建筑不方便施工改造的區域，可使用流動的無線電臺車抄系統，實現城市全區域的覆蓋。

無線電臺車抄系統就是在汽車上，安裝了配有筆記本電腦或集中器，加上RF無線收發模塊和GPS定位系統。當汽車GPS定位到達目標區域時，車載筆記本電腦或集中器自動通過連接的RF無線模塊向采集器上的無線收發模塊發出采集命令，進行數據采集。若將所有采集器的數據采用Zigbee的方式組網，與筆記本電腦或集中器之間進行無線傳送，覆蓋的范圍會更大，效率提高地會更顯著。

6 自來水公司中央管理控制中心

自來水公司中央管理控制中心是城市供水服務平臺，是整個城市用水的調控中心，由于它配備了全城市區域的水表數據采集集系統，所以就能夠及時準確掌握全市、各區域和各點的用水情況。可在線進行供水管網壓力監測及供水能耗分析，合理的進行水資源的調配。

利用采集的數據可計算出總表的水量、分量水表的總和，系統會自動對用水輸差進行計算，監測水表故障和發現管網泄露現象，并主動報警。自動遠程監測和分析用水情況，及時發現用戶泄漏水情況，從多方面降低水司損失。對于現場水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根據采集數據快速生成各種實時報表，及時匯總、分析，制定解決問題的策略方案。它也可以遠程管理城市內的每一塊水表，包括水表信息、水表狀態、水表指針等。

在現有的網絡技術平臺上，面向廣大的供水企業和用戶，提供城域化遠程抄表、水務遙測及日常營業管理服務，到那時，可以足不出戶，在家中就可以通過互聯網檢測到自家的水表信息，水費計量金額。

7 結語

該系統充分利用了現有的科學技術和先進的產品，經濟可靠的組成了城市自來水水表數據采集系統，經實際應用檢驗，運行準確可靠，便于推廣應用。

參考文獻

[1] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單位片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.11：113-130.

[2] 肖廣兵，萬茂松，羊玢.ARM嵌入式開發實例[M].基于STM32的系統設計，北京：電子工業出版社，2013：28-35

[3] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北就：國防工業出版社，2008：13-22.endprint

5 無線抄表車

對于GPRS覆蓋不到和老建筑不方便施工改造的區域，可使用流動的無線電臺車抄系統，實現城市全區域的覆蓋。

無線電臺車抄系統就是在汽車上，安裝了配有筆記本電腦或集中器，加上RF無線收發模塊和GPS定位系統。當汽車GPS定位到達目標區域時，車載筆記本電腦或集中器自動通過連接的RF無線模塊向采集器上的無線收發模塊發出采集命令，進行數據采集。若將所有采集器的數據采用Zigbee的方式組網，與筆記本電腦或集中器之間進行無線傳送，覆蓋的范圍會更大，效率提高地會更顯著。

6 自來水公司中央管理控制中心

自來水公司中央管理控制中心是城市供水服務平臺，是整個城市用水的調控中心，由于它配備了全城市區域的水表數據采集集系統，所以就能夠及時準確掌握全市、各區域和各點的用水情況。可在線進行供水管網壓力監測及供水能耗分析，合理的進行水資源的調配。

利用采集的數據可計算出總表的水量、分量水表的總和，系統會自動對用水輸差進行計算，監測水表故障和發現管網泄露現象，并主動報警。自動遠程監測和分析用水情況，及時發現用戶泄漏水情況，從多方面降低水司損失。對于現場水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根據采集數據快速生成各種實時報表，及時匯總、分析，制定解決問題的策略方案。它也可以遠程管理城市內的每一塊水表，包括水表信息、水表狀態、水表指針等。

在現有的網絡技術平臺上，面向廣大的供水企業和用戶，提供城域化遠程抄表、水務遙測及日常營業管理服務，到那時，可以足不出戶，在家中就可以通過互聯網檢測到自家的水表信息，水費計量金額。

7 結語

該系統充分利用了現有的科學技術和先進的產品，經濟可靠的組成了城市自來水水表數據采集系統，經實際應用檢驗，運行準確可靠，便于推廣應用。

參考文獻

[1] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單位片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.11：113-130.

[2] 肖廣兵，萬茂松，羊玢.ARM嵌入式開發實例[M].基于STM32的系統設計，北京：電子工業出版社，2013：28-35

[3] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北就：國防工業出版社，2008：13-22.endprint