水利工程师职称论文智能水表系统原理分析

来源：职称论文发表咨询网作者：qifan时间：2013-06-15 11:04

　　摘要：本文介绍了普通水表存在的问题，详细分析了基于无线的直读式阶梯智能表的设计方案及原理。对普通水表进行智能化及网络化改造，使城市供水能适应用水改革的推进。

　　关键词：智能表,直读式,ZigBee无线,阶梯计费,集抄系统

　　一、引言

　　随着“十二五”城镇化的快速发展，城市供水及用水管理带来前所未有的压力。国内多数城市都面临严重缺少水资源的情况，节约和保护水资源成为日益紧迫的一项重要国策。政府职能机构运用政策手段进行调控，引导社会合理的利用有限的水资源，是一项具有战略性、全局性和长期性的任务。在国家政策的指向下，天津、北京等严重缺水城市先后出台了居民用水的阶梯计费方案，即每个月给每户居民限定一个基本用水量，在这个基本用水量范围内，实施一个较低的水价，超出基本用水量的部分，实行较高的水价。而随着用水改革的推进，这一计费形式正在全国范围内得到推广。

　　阶梯水价政策的实施，要求供水管理部门非常及时、准确地掌握居民的用水量，在新计费方案推行的过程中，“入户抄表难”却成为一个重要障碍。传统的水表和入户抄表方式无法满足这个要求。因为不能及时地掌握用水量，收费部门也就无法实现阶梯计费。对此，业内专家特别指出，水表的智能化和抄读方式的改进是阶梯水价顺利推行的技术保障。无线智能远传水表是是用水监管部门“不入户抄表”和“远程阶梯计费”的系统级解决方案。无线远传不扰民，消除了居民生活中的不安全因素。由于无须入户查表，水表安装环境位置不受限制。准确、方便、快捷地获取用户用水信息，避免了抄表不及时，用户拖欠水费给供水企业带来的经济损失;实施阶梯水价，有利于节约水资源和经济可持续发展。

　　二、直读式水表的原理

　　无线远传水表作为一个独立的产品，并不需要高难度的创新技术。早在2002年，我国就已经有相关的专利申请。但规模化应用无线远传水表的提议，是在2004年初才开始见于报端。从独立的具有无线传输功能的水表，到系统化的用水管理工程，涉及到了不同层面的多种技术。

　　1、无线直读式远传智能水表：

　　智能水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能无线技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。

　　说到智能水表不能不提普通机械水表，因为计量部分是靠普通机械水表完成的。普通机械水表的发展已有近二百年的历史。期间，水表的结构先后出现了往复式单活塞式水表、旋转活塞式水表、圆盘式水表、旋翼式水表和螺翼式水表等形式。现在常用的水表按设计原理可分为速度式、容积式和螺翼式水表。居民常用的水表一般都采用螺翼式和速度式两种机芯，水表计数器形式可分为:液封水表、干式水表、湿式水表。智能水表中采用常用的液封水表或湿式水表为计量基表，在基表上加装智能型光电传感器，静态识别水表窗口中字轮的显示值，并将该显示值通过无线传给无线数据采集器。一般有下列部分组成，电源、阀门控制电路、计量电路、通讯电路和微处理器控制电路及外壳等构成。

　　直读式无线水表及其远传抄表系统平时不需要连续带电工作，只是在抄表瞬间由系统自动加电使其工作。即抄表上电，抄完即断电。远程读取的数据与光电直读式无线水表示值完全一致。

　　直读式无线水表采用一次性锂电池供电，抄表需时50ms～1s,瞬时工作电流33μA/路。直读式无线水表的光电传感器及其电路全部密封于字轮的液封盒中，具有抗光电、电磁干扰、防二次污染、停电数据不丢失等特点。远程无线报数，对安装条件要求低。与有线远传产品相比，无线远传不仅用于新区的建设，也适合老区的改造。

　　2.无线直读式智能水表及其系统原理分析

　　受短距离无线传输的功率限制,无线ISM设备一般只能在(30-100)m的范围内传输。在复杂建筑物的内部，由于墙体等建筑结构的影响，距离可能更近。在这种条件下进行抄读，必须采用逐个节点中继的方式。分布式的中继节点和远传水表一起组成了拓扑复杂的低速率无线网络。如何解决低速率无线网络的寻址和路由成为系统的一个关键点。因此，集抄系统才是技术成功转换为产品和社会效益的关键。无线集抄水表在ZigBee协议栈的原理基础上进行裁减，使之变成适合抄表应用的简化协议栈。该协议栈适合低成本的单片实现，路由配置简单，在网络节点故障时具有自恢复能力。

　　无线中继器对水表数据进行中继，在不增加射频发射功率的情况下，扩展通信距离。中继器适合多层和高层住宅无线表具的中继。

　　无线集中器/IP网关将一个小区或者居民点的采集数据进行集中，转接到日益普及的IP网络上。具有无线集中器和IP网关两项功能。集中器的功能是收集水表经由中继传过来的计量数据;IP网关将数据加密后发送到指定的控制中心服务器。为了确保数据的可靠性，设备在IP网络上实现VPN功能。VPN要求的加密功能依靠专门的硬件加密引擎实现。IP网关的引入，大大方便了远程的数据管理。采用VPN技术，在公众网络上实现安全可靠的通信。同时适合不同营业网点之间的互连。

　　3.信息管理系统

　　管理中心使用一套用水信息管理系统。信息管理系统由计算机及网络等硬件设施和管理软件构成，是用水管理部门的工作人员与本系统交流的界面。操作人员通过用水管理软件对集中器下达抄读指令，根据需要对抄读方式进行设置。信息管理系统对集中器上传来的用户用水量进行汇总、加工，获得水费收取和用水信息。

　　管理系统建立在跨操作系统的虚拟软件平台上，编程语言一般采用JAVA。监管部门通过本管理信息系统可以实时地掌握计量数据，实现银行托收。另一方面，用户也可以通过系统提供的自动化服务实现自助查询和缴费。比如电话语音报读和短信通知及催缴和网上自助查询和缴费。

　　三、智能水表的拓展

　　在我国，由于地域辽阔，人口众多，各地发展不平衡。国内极大多数用户仍使用管理效率较低、技术相对落后的传统计量表具，推广应用阶梯水价的无线远传直读表宜在经济较发达的大城市住宅小区应用。然后再对逐步推进到众多的中小城市及区县。

　　四、参考文献

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　　[5]康叶伟.黄亚楼.孙凤池.一种低功耗智能IC卡冷水表的设计与实现[J].南开大学学报.2006年05期.

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