基于ZigBee的智能超聲波水表遠程抄表系統探討

摘 要：文章介紹了ZigBee技術的特點和智能超聲波水表的計量原理，并對ZigBee技術在智能超聲波水表遠程抄表系統的應用進行了探討。該抄表方案借助ZigBee技術在無線通信方面的優勢，具有組網迅速、網絡容量大、傳輸可靠、數據安全、實時性強等特點，非常適合智能超聲波水表無線組網。該抄表方案也可應用于電表和氣表。

關鍵詞：ZigBee 超聲波水表 遠程抄表 無線網絡

中圖分類號：TP84 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0004-03

隨著科學技術的發展，智能超聲波水表已經引起企業的關注，同時超聲波水表的遠程抄表的收費機制，也需要進行改善，并適應社會的發展需要。國家住建部《關于加快推進城鎮居民生活用水階梯水價改革的指導意見（征求意見稿）》明確規定：對城鎮居民用戶終端水價中的自來水價格實施階梯水價，所有設市城市原則上要在2015年底前完成“一戶一表”改造，并全面實施階梯水價制度。各地在推進“一戶一表”改造時，應積極推進智能水表。

新政策一旦正式推行，勢必加速階梯水價全面推行，而智能水表在計費方面相比機械水表的強大優勢，決定智能水表在智慧水務和實施階梯水價趨勢中取代機械水表的必然性。智能水表可實現自動抄讀和遠程抄讀，水表監控中心可隨時讀取智能水表數據，方便按月計費和提前扣費等，并實現階梯計價調費，具有水質、水壓、水溫等監測功能。最新的ZigBee技術與最先進的超聲波水表的結合，是抄表計費的發展趨勢。

1 智能超聲波水表的優勢

FLUS小口徑系列智能超聲波水表是應用超聲波檢測技術進行水流量測量，并用于家用自來水消耗計量的一體式密閉水表，口徑范圍涵蓋DN10、DN15、DN20、DN25、DN32和DN40。此系列水表采用超聲波傳輸時間差法測量水流量，可保證計量的長期可靠性和精度。兩個超聲波換能器用于產生超聲波信號，兩束超聲波信號分別沿著水流順流和逆流方向傳播，通過測量兩束超聲波信號傳播時間差可得到水的流速，進而計算出水流量。

1.1 計量原理

超聲波水表采用時間差法進行流量測量。基本計量原理如圖1所示。

流體的流速計算公式如下：

式中：Vm流體在軸向線的平均流速；

tu：超聲波在流體中逆流（由B到A）傳播的時間；

td：超聲波在流體中順流（由A到B）傳播的時間；

L：聲道長度；

：聲道角。

流體的流量按下述公式計算：

式中：Q：流體的流量；

K：速度分布系數；

S：管段內橫截面面積。

對于大口徑超聲波水表，可采用多聲道方式通過加權計算的方法來提高流量測量準確度。

1.2 超聲波水表的特點

FLUS系列超聲波水表嚴格遵循OIML R49指令進行設計并測試，保證了其具有高度的可靠性、耐久性及精度。根據超聲波測量原理，水表無任何運動部件，保證在各種復雜條件下長效精確計量，極大延長了其使用壽命。此外，低始動流量（Q3=1.0 m3/h時僅為2 L/h）特性也保證了其在小水流條件下的計量精度，可進行滴水計量。

不受管路中雜質及空氣影響，可滿足惡劣水質要求。無直管段要求，可任意方位安裝，IP68防護等級適于室外安裝。可組件抄表系統進行實時數據通信，OMS規范通信協議，通信接口為紅外光電和MBus，可選配wMbus和NFC，通過通信接口可實時讀取水表數據，或修改水表運行參數。電池有效壽命高于16年。液晶顯示累積體積、瞬時流量、各種工作狀態及故障狀態。水表內置的存儲器可存儲360d的用戶數據，也可以存儲過去24個月的月份計費數據。

2 ZigBee技術的應用

ZigBee技術是一種新興的短距離、低功耗、低傳輸率、低成本、低復雜度的無線網絡技術。它是一個由多達65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75 m，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；整個ZigBee網絡不僅可以“無限”擴展開來，而且還可以與現有其它的各種網絡連接，例如，可以通過互聯網在水表監控中心，監控某樓棟的ZigBee控制網絡。

每個ZigBee網絡節點不僅本身可以與監控對象，例如超聲波水表連接，直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料；除此之外，每一個ZigBee網絡節點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內，同多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點（RFD）無線連接。ZigBee以一個獨立工作節點為依托，通過無線通信組成星狀、串（樹）狀、或網狀網絡，因此，每個節點的功能并非相同，其中RFD為半功能節點即傳感器節點；FFD為全功能節點即網路協調器節點，負責與所控制的RFD節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用；各節點通過無線通信方式形成一個無線自組織網絡系統。

ZigBee技術的主要優勢：

（1）低功耗：兩節五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間。

（2）可靠性：采用了碰撞避免機制；節點模塊之間具有自動動態組網的功能，信息在整個ZigBee網絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸的可靠性。

（3）低成本：ZigBee模塊價格低廉，并且ZigBee免協議專利費。

（4）時延短：針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。

（5）近距離：通信距離在幾厘米到幾百米，在增加發射功率后，可增加到1～3km。如果通過路由和節點間通信接力，可以傳輸更遠的距離。endprint

（6）網絡容量大：ZigBee可以采用星狀、樹狀和串狀結構組網，可支持65000個節點組網。

（7）安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用通用的AES-128。

（8）高密性：采用64位出廠編號并支持AES-128加密。

（9）全球免費頻段：ZigBee技術以IEEE 802.15.4協議為基礎，使用全球免費頻段進行通訊，2.4G（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。

3 遠程抄表系統解決方案

通過以上對智能超聲波水表介紹和ZigBee技術的應用分析，可采用ZigBee技術實現智能水表的無線遠程抄表。

在實際應用中可以選擇將ZigBee技術與GPRS/CDMA結合的方式，也可以選擇ZigBee技術與光纖通信結合的傳輸方式，把各個智能水表的實時數據傳輸到水表集抄管理監控中心。

該方案中采用MESH網狀網絡拓撲結構，每個單元樓棟可設置一個ZigBee遠端節點，整個樓棟的智能超聲波水表通過MBus總線連接到ZigBee遠端節點，該節點主要負責數據的收發或作路由器用，負責把智能水表的數據上傳給ZigBee中心節點，同時轉發ZigBee中心節點發出來的指令，遠端節點必須是全功能設備（FFD）。另外，一個小區中設置一個ZigBee中心節點，其與智能超聲波水表的連接如圖2所示。

ZigBee中心節點的功能是根據集抄管理控制中心服務器的命令，通過ZigBee遠端節點，讀取智能超聲波水表的累積數據及其他參數，并通過GPRS/CDMA或光纖將數據上傳給水表集抄管理控制中心，集抄管理控制中心的計費服務器主要是對抄上來的數據進行存儲和分析，并實現階梯計價調費、計費，并對各水表監測到的水質、水壓、水溫等進行監控，發現異常及時報警、處理。系統連接示意圖如圖3、圖4所示。

系統中的網絡主要由ZigBee無線自組織網絡、MBus總線方式的有線網絡、GPRS/CDMA或光纖通信的主干網絡組成。為保證ZigBee網絡的穩定和可靠性，所有ZigBee通信節點要保證能與附近相鄰的多個ZigBee節點進行通信，當任意一個發生故障時，可跳過這一節點與下一個節點直接通信。整個系統ZigBee通信網絡應該盡量布成一個網狀，以保證每個節點都能與系統正常通信。從而保證整個集抄系統的正常運行。

4 結語

該文對ZigBee技術在智能超聲波水表遠程抄表系統中的應用進行了探討，ZigBee技術具有協議簡單、成本低、無需布線、組網迅速、網絡容量大、傳輸可靠、數據安全、實時性強等特點，非常適合智能超聲波水表無線組網。另外也可以考慮把ZigBee模塊直接加入每個超聲波水表中，組成一個無線自組織網絡系統，這樣成本需要加大。該抄表系統也可在電表和氣表的遠程抄表中進行應用。

參考文獻

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