基于新一代信息技術(shù)的智能水表研究進(jìn)展

王世吉

[中圖分類號] TP273.5;TP391.r

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]2095-6487 （2021） 02-0069-02

Research Progress oflntelligent Water Meter Based on New

Generation Information Technology

Wang Shi-ji

[ Abstract] Water meter has a history of nearly 200 years， which can be traced back to the late industrial revolution in the first time， xvhile theuse and production of water meter in China started late. With the deepening of reform and opening up， China's economic construction continues todevelop at a high speed， and the water meter industry also develops rapidly. The number of enterprises and total output have more than doubled. At thesame time，a variety of intelligent water meters， water merer reading systems and other products have also begun to rise. In today's era， with the adventof microelectronics and Sg Intemet era， the intelligent water meter represented by embedded system comes out in the cwil market. Compared with thetraditional water meter， which only has the design of flow collection and mechanical pointer water consumption display， the intelligent water meter hasmany obvious advantages. This paper takes the research direction of household intelligent water meter as the background， and takes the new generationof electronic information technology of embedded system， sensor detection and Internet of things as the guidance. On the basis of learning from thedevelopment of existing intelligent water meters， this paper further srudies the landing scenarios of different fields and needs.

[ Keywords] embedded system; intelligent water meter; sensor detection; Intemet ofthings

水表這一毫不起眼的計量裝置在城市自來水供應(yīng)中扮演著重要角色，在能源領(lǐng)域和國計民生中起到至關(guān)重要的作用。近些年來，“互聯(lián)網(wǎng)+”模式一直被社會各界廣泛關(guān)注，“互聯(lián)網(wǎng)+水電煤”就很好地為城市能源建設(shè)和管理以及服務(wù)居民日常能源供應(yīng)、監(jiān)管提供了有效的解決方案，這無疑驅(qū)使著傳統(tǒng)機械水表向電子化、智能化升級。所謂“智能水表”在IS04064-2005中被稱為“帶電子裝置的水表”，它有別于以新型流量傳感技術(shù)為特征的“電子水表”。“帶電子裝置的水表”以速度式或容積式機械水表為基表，增加了電子部件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有流量信號的傳感采集、運算處理、傳輸與統(tǒng)計等功能，以滿足水表自動抄讀與水費收繳的需要。

智能水表的普及無論是住戶還是自來水集團，都帶來了巨人的經(jīng)濟效益和前所未有的使用價值，利用5G互聯(lián)網(wǎng)終端也就是水表本身可做到實時流量計量，用戶可以在手機等移動端進(jìn)行查詢、繳費操作等，可以解決自來水集團的工作人員和物業(yè)挨家挨戶查水表的繁瑣工作，從而極大地提高數(shù)據(jù)的采集和運行效率。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，市場上的絕大多數(shù)智能水表全部采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，其具有能耗低、成本低的優(yōu)點，并且高精度傳感器能有效提高測量精確度，其次，高性能的芯片和微處理器加上強有力的智能算法，可以對進(jìn)出水量做到優(yōu)化控制，不但真正有效地實現(xiàn)節(jié)約用水，還可以為住戶在用水上節(jié)省不必要的花費。

1 基于新一代信息技術(shù)的智能水表研究進(jìn)展

1.1 針對智能水表的現(xiàn)階段缺陷分析

智能水表從發(fā)展之初到如今已有近20a的時間了，在智能水表實際應(yīng)用過程中，受到多方面因素的影響與限制，存在不少的問題，直接影響了智能水表的應(yīng)用效果。據(jù)《環(huán)球表計》統(tǒng)計，智能水表在供電電池的選擇和使用、信號采樣、硬件保護、抗射頻干擾等問題是智能水表的現(xiàn)實狀況，從這個角度講，對智能水表認(rèn)識的盲區(qū)，是甘前智能水表所存在的致命性死穴，也是仍解決的問題。

綜上所述，可以看出智能水表的硬件部分是脆弱的，而智能水表人多安置在潮濕、不透風(fēng)的環(huán)境，如衛(wèi)生間、廚房等地，這或許是智能水表使用缺陷的根本原因，潮濕的環(huán)境很容易影響電路板傳感器精度，甚至?xí)l(fā)生進(jìn)水，造成電路板短路損壞。因此在這種相對較特殊的工作環(huán)境就要求智能水表外部嚴(yán)格密封，并且材料要做到防潮防水。不僅如此，考慮到智能水表的安全問題，一般智能水表不采用電源直接供電，從而電池供電上的問題也是智能水表存在的一人缺陷。苗琳[2]在原有的智能水表基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于自備電源的新型智能水表。通過對能量轉(zhuǎn)換模塊和混合儲能釋放模塊這兩部分的設(shè)計和研究，以達(dá)到減小能量損耗和由電池因素帶來的安全性影響的目的。認(rèn)為能量轉(zhuǎn)換模塊土要是應(yīng)用水流發(fā)電機將水流動力轉(zhuǎn)換為電能供給蓄電池儲能;混合儲能釋放模塊是對蓄電池和超級電容器的混合儲能供電方案進(jìn)行設(shè)計和控制，這種應(yīng)用“超級電容”的設(shè)計將解決智能水表在供電上的問題。

1.2 針對無線網(wǎng)絡(luò)的智能水表研究

智能水表先后經(jīng)歷了從有線到無線，無線方案主要有ZigBee、GPRS、CDMA和小無線等。無線網(wǎng)絡(luò)通過利用無線電波傳輸和接收數(shù)據(jù)，無須布設(shè)線，方便耐用。目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的全方而應(yīng)用，據(jù)陳富光等人[3]提出的一種基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的無磁智能水表，通信部分采用NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，彌補了傳統(tǒng)水表存在的缺陷，具有功耗低、成本低、安全級別高、可靠性強和信號覆蓋范圍廣等優(yōu)點，已在寧波、杭州、上海等地投入使用。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也是未來智慧化生活的發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)水表的應(yīng)用解決了很多高層住宅的抄表難題，也提高中人型城市的抄表效率。物聯(lián)網(wǎng)水表的J‘家也數(shù)不勝數(shù)，這個市場還是存在很人競爭力的，人們在購買物聯(lián)網(wǎng)水表的時候也多了一種選擇。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有成本小、功耗低、容量人、覆蓋廣等特點，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣且深，可在地下建筑實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，每個基站最多可容納10萬個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的加入，為海量物聯(lián)設(shè)備接入提供保障。吳應(yīng)雨等人[4]在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合STM32微控制器，采用STM32L476為主控制器、BC95為通信模塊和RS485電子水表，設(shè)計了云平臺用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，手機APP客戶端用于！史時監(jiān)測用戶水量，實現(xiàn)水表、云平臺、移動客戶端三者之間的信息交互。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，傳輸水量數(shù)據(jù)精確，為智能物業(yè)管理提供基礎(chǔ)。

LoRa技術(shù)則是一項近幾年才發(fā)布的而向無線傳感網(wǎng)絡(luò)與控制應(yīng)用的通信技術(shù)，具有低功耗和傳輸距離遠(yuǎn)的特性，周巧儀和張智靚‘”的研究表明在不久的將來它將會在自動抄表領(lǐng)域占據(jù)土導(dǎo)地位，電是智能水表最有前途的發(fā)展方向。

1.3 針對智能水表傳感器檢測的研究

電子傳感器的應(yīng)用解決了用水量準(zhǔn)確檢測、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等問題。錢碧波[6]提出了基于傳感器測量的用水量檢測技術(shù)，通過傳感器采集和測量指針或者葉輪的數(shù)據(jù)，把測量信息轉(zhuǎn)化成計量脈沖信號來測量水表中的水量，提升測量的精準(zhǔn)性，實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換與傳遞。常見傳感器類型有磁感傳感器、電感式傳感器和直讀式傳感器。

磁感式傳感器是通過在葉輪上裝設(shè)磁鐵、微型干簧管等機構(gòu)，葉輪在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動，通過傳感器由單片機處理將機械累計計量轉(zhuǎn)化為電脈沖信號，以實現(xiàn)頻率脈沖計數(shù)，從而測量出用水量;電感式傳感器是通過采集振動信號的衰減規(guī)律來獲得水量計量的。由于不需要采用磁激勵，所以葉輪的機械阻尼相對較小，且具有很強的抗干擾性，可以適應(yīng)不同的水質(zhì)，因而被廣泛應(yīng)用;直讀式傳感器主要分為光電式傳感器和機械式傳感器。光電式傳感器是根據(jù)光的反射定律，將激光管的位置固定，通過接收齒輪齒上或齒輪槽內(nèi)反射的激光脈沖并解調(diào)后變?yōu)殡娒}沖信號。正是這些傳感器的應(yīng)用，避免了入戶超標(biāo)的麻煩，提高了計量的精確性，電為智能水表的初期發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

2 結(jié)束語

伍志明等人[71曾提出傳統(tǒng)水表向智能水表發(fā)展是必然趨勢，認(rèn)為我國智能水表經(jīng)過十幾年的發(fā)展、提高和改進(jìn)，已為我國供水行業(yè)開發(fā)了一批有一定使用價值、能滿足基本要求的智能水表和自動抄表系統(tǒng)產(chǎn)品，并在多年實踐中積累了許多有益經(jīng)已初步形成了比較完整的產(chǎn)品技術(shù)體系，諸多嵌入式電子和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，使得在流量信號的傳感采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行砸约爱a(chǎn)品的性價比與壽命等方面均取得了長足進(jìn)步。

時至今日，趨于人數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的到來，越來越多的國產(chǎn)智能水表投入到城市、鄉(xiāng)村，甚至貧困地區(qū)，悄無聲息地改變著一代又一代人飲水質(zhì)量，推動著脫貧減貧戰(zhàn)略和綠色可持續(xù)發(fā)展，造福人類。

參考文獻(xiàn)

[1]崔衛(wèi)民.智能水表的計量特性與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]中國標(biāo)準(zhǔn)化，2019（14）：178-179

[2]苗琳一種基于自備電源的新型智能水表研究[D]貴陽：貴州大學(xué)，2009

[3]陳富光，王卉，封小剛.基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的無磁智能水表設(shè)計[J]

自動化與儀器儀表，2021 （1）：171-176

[4]吳應(yīng)雨，陳運雷，葛知著，等基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計[J]自動化技術(shù)與應(yīng)用，2020，39 （12）：59-65

[5]周巧儀，張智靚.基于LoRa通信的水流蓄能智能水表設(shè)計[J]科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019 （34）：35-36.

[6]錢碧波智能無線水表的檢測技術(shù)研究[J]集成電路應(yīng)用，2020，37 （10）：30-31

[7]伍志明，韋金興.城鎮(zhèn)智能水表使用前景分析[J]中國計量，2020 （2）：125

[8]韓樹屏，李炬.智能水表的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望[J]機械制造與自動化，2008 （4）：88-90

[9]王甲，阮景，張曉東一種光電式水表的設(shè)計方法[J]集成電路應(yīng)用，2019 （4）：21-23

[10]際仲庫，牛小民，張林生，等.基于三維矩陣光電讀碼電路的低功耗水表設(shè)計與實現(xiàn)[J]計算機測量與控制，2019 （4）：258-262