物聯網技術下的智能水表系統建構

張蓓

[摘? ? 要]水表是供水企業營銷管理過程中的基礎性計量工具，關系到整個供水企業的水量計算與費用生成。在以往主要使用的是基于無線技術的水表，受其功能大、信號覆蓋低等特點的影響，增加了水務部門對水資源的管理難度。基于此，在物聯網技術下，以重慶巨泰物聯網集團有限公司生產提供的某系列智能水表為例，通過介紹物聯網智能水表應用優勢，為解決以往遇到的問題，從硬件系統及軟件系統各方面對智能水表進行系統建構，經過應用后得到該系統可以滿足居民可以及時掌握用水情況，同時實現水務部門對水表智能化管理，為未來新型智能城市建設與發展提供技術幫助。

[關鍵詞]物聯網;智能水表;信息采集;系統建構

[中圖分類號]TP391.44 [文獻標志碼]A [文章編號]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

物聯網是指通過信息傳感媒介，按照相關約定協議進行信息交換和通信，以實現智能化各項功能。近幾年，物聯網技術的發展在工業、醫療及物流等行業中得到廣泛的應用。而物聯網技術下所生產的智能水表是一款新型智能化水表，該水表與傳統水表使用方式不同，可以解決以往使用功耗大、網路覆蓋面小計數據安全性低等問題。目前，由于城市化建設進程較快，新裝水表與水表維護的工作量逐漸增多，為了實現水務公司對水表管理工作精細化與智能化，需要對智能水表系統進行設計，方便數據傳輸與遠程控制。

1 物聯網技術下智能水表應用優勢

物聯網智能水表是一種利用現代現代信息技術對用水量進行科學計量，并對用水數據傳遞及結算交易的新型水表。該水表與傳統機械水表與智能水表不同，具有安全簡單、實時性強及數據易于收集與分析等特點。同時與一般只具有流量采集和機械指針顯示用水量的水表功能相比，有很大的進步。而智能水表除了按照約定協議進行用水量控制外，還可對用水量進行記錄和電子顯示，而物聯網水表在此基礎上發展而來，且在現實當中應用廣泛。用戶只需要請專業人員將水表安裝在管道上即可。

2 物聯網技術下智能水表系統建構

2.1 系統總體框架設計

對于物聯網智能水表系統建構，從整體框架上看主要由4部分構成，即無線傳感器、無線傳輸模塊、遠程監控系統及企業數據庫。在實際應用過程中，物聯網智能水表對用水信息數據的獲取，主要通過無線傳感器完成。當無線傳感器介紹到相關命令后，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據。該水表使用特點與傳統水表最大的不同是，水表數據可以直接傳送到連接云端，可以直接對居民用水情況了解，不需要去居民所在地“抄水表”。

從該水表系統整體框架看，對物聯網水表數據信息的獲取與傳輸，主要通過感知層、數據層、應用層及表示層實現，具體流程圖，如圖1所示。

2.2 硬件系統建構

2.2.1 用水流量采集

本次研究中關于物聯網智能水表研究，使用的是以重慶巨泰物聯網集團有限公司生產的單片機為主芯片。由于用戶安裝水表的主要功能是及時了解用水情況。而用戶對所有用水數據從采集到處理分析都通過物聯網技術實現。也就是說水表硬件模塊采用超聲波換能器獲得水流量信號，之后采用硬件系統芯片測量管內聲波情況，再將獲得的時差信號轉換為與之對應的流量信號，同時在每段流量范圍內對硬件實施修補、軟件修正，以此達到符合要求的測量精度。目前使用的物聯網智能水表流量采樣主要分為3種模式，具體如表1所示。

在現實應用中，對物聯網智能水表安裝，流量校準十分必要。一般情況下，水流量誤差不能超過正常的20 %。而在測量水流量過程中，基于檢定模式下測量若超過10 s，需要重新再次進行測量，在此過程中測試流量與累積流量之間互不影響，且從0開始計數。

2.2.2 用水溫度采樣

在實際情況中，居民對物聯網智能水表的應用，不但可以及時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，物聯網智能水表采用的是Pt1000的溫度傳感器，通過恒流式測溫電路，并將聲速反推溫度作為后補。對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的功耗，而后者是保證測量的精度。在實際情況下，若溫度傳感器發生故障，相關設備則會發出報警，同時表計溫度采用聲速反推方式確定，從而保證流量可以正常進行。

2.2.3 系統通訊與無線數據采集

基于物聯網技術下，智能水表通信系統模式主要由無線網絡及內置設備卡及無線通信模塊共同組成。其中的水表無線網絡所使用的是主流通信芯片，并且使用網狀拓補結構，可實現對水表終端各個節點信息進行收集并通過相關傳輸設備上傳到遠程控制中心。此次研究中智能水表硬件處理器使用的是單片機，其具有明顯的低電壓、超低功耗能等特點，可以滿足低頻工作模式與各種中斷驅動系統的需求。而關于物聯網智能水表數據收集，主要在感知層將收集的數據信息進行模塊轉換，即將收集的數據信息傳遞給移動GSM卡無線傳輸模塊，經過相關協議命令的執行轉換，實現無線數據的收發。最后，將收集到的轉換數據打包，以數據包形式通過網絡傳輸平臺到控制中心。

2.3 軟件系統建構

對于物聯網智能水表軟件系統的建構，是基于硬件設備基礎上進行設計。本系統軟件設計采用編程C語言，在ARM嵌入式平臺上開發，如圖2所示，是系統軟件主要流程圖。當智能水表上電復位之后，可通過系統流程根據用戶用水條件，做出相應命令后進行扣費處理及中斷關閉閥門處理。當遇到居民用戶余額為0時，系統會及時關閉閥門，中斷用戶給水。若系統沒有出現中斷，系統則會處于低功耗模式狀態。目前，關于智能水表軟件系統建構，除了主程序外，還包括故障處理程序、LED顯示程序等，各個程序之間相互協調完成用戶用水監測工作。

2.3.1 系統初始化

當水表軟件系統上電復位后開始系統初始化，當軟件系統初始化之后，可設置TIM2定時器，讀取主控芯片中所連接的物聯網平臺提供的一些參數，比如端口、IP域名采集周期等，之后進行正常使用。

2.3.2 建立連接

當系統初始化之后，查詢是否建立好相應的網絡，若建立好可進行相應的網路系統連接，通過發送的相關連接指令，向物聯網運平臺注冊相關的設備信息，建立有效連接，進行流量傳感信號分析處理。

2.3.3 采集數據

該系統中數據收集主要通過傳感器模式采集信息與信息進行接收、處理及傳送。其中，系統將傳感器節點采集的信息數據進行數據解碼、操作及返回處理。當水表系統終端收集到使用水的各參數信息后，將所有的數據存入到相應的數據庫之中。在此過程中，防止斷網與數據發送丟失情況的存在，需要將定時器設置好，通過與物聯網云平臺建立聯機，再發送當前水表流量，待發送成功之后進行低功耗睡眠階段。

2.3.4 數據接收處理

對物聯網智能水表系統中數據接收處理，主要是將接受到的物聯網平臺的信息指令，這些數據均支持海量數據并發，保證數據不存在丟失的可能。同時，該平臺提供的數據穩定可靠，可直接存儲。在此過程中對接受到的特殊數據，需要按照指定完成相關的操作。比如若系統顯示余下額度為0時，系統將會等待中斷，待做好相應的扣費處理工作后，完成水表設備的刪除、禁用及注冊等管理后，再發送當前水表流量，成功之后可進入低功能睡眠模式，最后可實現遠程水表閥門開關的控制。

3 物聯網技術下智能水表系統應用

物聯網智能水表系統與的建構，之后將該系統應用于某新建小區中。該水表不僅安裝方便，系統使用信號覆蓋面積較廣，可以成功采集到每戶所居住人員的用水量，方便小區業務管理人員從后臺終端實現用水量的統計，同時還可以根據水表電量提示，對電池進行及時更換，避免系統數據收集受到阻礙。例如，在低功耗測試中，所測試的3個小區整個系統的靜態功耗為20 ?A以下，符合當前國家規定的25 ?A要求，整個系統平均功耗為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，物聯網智能水表應用前景良好，值得推廣使用[8]。

4 結束語

綜上所述，近年來，隨著物聯網技術的應用，加上“一戶一表”理念的提出，物聯網智能水表得到廣泛的應用。基于物聯網技術下，該智能水表通過發揮自身的優勢，將用戶、水表及水務等相互連接構成一個統一的體系。由于該水表與傳統的機械師水表不同，具有智能化、便捷式及實用性的特點，因而取得廣泛應用。目前，城市化規模不斷擴大，為了實現該水表對用戶用水情況的實時監控，本文通過對智能水表系統建構與應用，得出該系統可以滿足居民及時掌握用水情況的要求，同時實現水務部門對水表智能化管理與調度，在未來智能城市化建筑與發展中可應用。

參考文獻

[1] 符長友，雷文，朱文忠，等.基于物聯網的智能一體化表設計[J].實驗室研究與探索，2017，36（6）：133-137.

[2] 南京意然信息科技有限公司.一種基于物聯網的水務智能監控系統：CN202010605930.5[P].2020-09-15.

[3] 吳琦.NB-IoT技術在物聯網智能水表領域的應用[J].南方農機，2020，51（2）：195-196，199.

[4] 田亞雷.WM-Bus技術在物聯網智能水表領域的應用[J].中國新技術新產品，2020（7）：10-11.

[5] 石英春，王巍.基于物聯網的智能水表裝置的設計與實現[J].儀表技術，2020（1）：22-24，30.

[6] 劉虎平.NB-IoT技術在物聯網智能水表領域的應用[J].中國新技術新產品，2019（11）：10-11.

[7] 江武志，許娜芬，鐘煒杰，等.基于物聯網LoRa智能水表的研究與設計[J].物聯網技術，2018，8（8）：77-79.

[8] 吳正平，張兆蒙，李東，等.基于NB-IoT智能水表抄表系統設計與實現[J].傳感器與微系統，2019（11）：93-95.