引言

隨著住宅單元化和高層化，供水企業(yè)的抄表工作面臨巨 大的挑戰(zhàn)，一方面人戶難，另一方面抄表工作量急劇上升。實(shí) 現(xiàn)水表數(shù)字化和抄表自動(dòng)化，已成為供水企業(yè)亟待解決的難 題。當(dāng)前水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要有三大類型：智能卡式、 有線自動(dòng)抄表式、無線智能式。智能卡水表不實(shí)行抄表, 也無聯(lián)網(wǎng)，因此難以監(jiān)控把握供水的調(diào)度和均衡，制約了其 普及。有線自動(dòng)抄表系統(tǒng)單純從技術(shù)上講較成熟，目前市場上 各抄表開發(fā)系統(tǒng)的公司多用此型，但該系統(tǒng)需要鋪設(shè)專門的 通信電纜，存在繁重的布線問題，維護(hù)困難，因此成本較高。 在無線智能式抄表系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)現(xiàn)接收和發(fā) 送。此類水表無需敷設(shè)線路，維護(hù)與安裝方便，大多數(shù)使用 國際標(biāo)準(zhǔn)無線頻率和自制的專用通信協(xié)議叫隨著技術(shù)水平的 發(fā)展，智能水表已經(jīng)越來越多地走進(jìn)千家萬戶，而在上述諸 多方案中，無線遠(yuǎn)傳的方案正越來越多的受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

本文結(jié)合有線自動(dòng)式與無線式抄表系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè) 計(jì)了一種新型智能水表抄表系統(tǒng)（Intelligent Water-meter Reading System，以下簡稱IWRS）。該系統(tǒng)由采集器采集底 層水表數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集器與小區(qū)集中器 間的數(shù)據(jù)通信，再利用電話網(wǎng)（以下簡稱PSTN）將集中器的 數(shù)據(jù)傳送給抄表中心的監(jiān)控服務(wù)器。采用PSTN進(jìn)行集中器 與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸，具有速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)， 非常適合合于水表抄表這樣采集點(diǎn)數(shù)量多、范圍廣、距離遠(yuǎn)的 系統(tǒng)采用。同時(shí)，本文所提出的IWRS可實(shí)現(xiàn)多套水表數(shù)據(jù)的同步抄送，從而充分利用通信設(shè)備，節(jié)約成本。

1智能抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IWRS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。IWRS主要由智能水 表、多用戶共享采集器、小區(qū)集中器、主站服務(wù)器等4部分 構(gòu)成。每戶居民家設(shè)置一只智能水表，智能水表采集到的用水 量數(shù)據(jù)通過RS-485總線定期發(fā)送至采集器。采集器通過無 線ZigBee網(wǎng)絡(luò)與小區(qū)中心的集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，小區(qū)集中 器的存在可以極大的拓寬該智能抄表系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域。利用 PSTN最終將系統(tǒng)服務(wù)器與分散于各物業(yè)小區(qū)的集中器連接, 形成1對〃的連接形式，實(shí)現(xiàn)集中器和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在 線連接。在設(shè)計(jì)過程中，IWRS主要分為四大模塊：智能水表 采集模塊、共享采集器模塊、小區(qū)集中器模塊以及ZigBee無 線模塊。

2智能水表采集模塊的設(shè)計(jì)

智能水表采集模塊采集數(shù)據(jù)的對象是普通機(jī)械式水表,本文采用光電傳感器進(jìn)行水表用水量的監(jiān)測［6］,通過微處理器 （以下簡稱CPU）進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及外部通信,其結(jié)構(gòu)框圖 如圖2所示。從圖2可以看出，整個(gè)采集模塊塊由光電傳感器、 脈沖整形電路、微處理器單元、看門狗芯片（X5045）、供電電源、 通信單元及穩(wěn)壓電路等組成。

本文采用流量監(jiān)測單元進(jìn)行用戶用水量的監(jiān)測，水表計(jì) 數(shù)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，光電傳感器接收到一次激勵(lì)信號，并傳 送出一個(gè)計(jì)量脈沖，假設(shè)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對應(yīng)的流量為q m3, 則一個(gè)計(jì)量脈沖對應(yīng)的流量也為q m3。根據(jù)此原理，可得用 戶用水量為：

式中，TQ 為一段時(shí)間間隔內(nèi)用戶的用水量，TN為一段時(shí)間 內(nèi)的脈沖累加數(shù)，q稱為基表系數(shù)。

計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)過整形電路整形后送入微處理器芯片進(jìn)行數(shù) 據(jù)的處理，CPU將采樣得到的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)累加，其計(jì) 數(shù)觸發(fā)采用中斷方式，即：來一個(gè)脈沖就觸發(fā)中斷一次，在中 斷服務(wù)程序中對內(nèi)部RAM的脈沖數(shù)增一。將累加值乘以基表 系數(shù)即得到累計(jì)流量值，再將累計(jì)流量值從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換 成十進(jìn)制數(shù)，然后進(jìn)行從高到低的逐位拆分并轉(zhuǎn)換成ASCII 碼依次存放到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)通訊接口電路啟動(dòng)有效通訊請求 時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)從高到低依次串行送入通訊接 口電路的相關(guān)單元，完成數(shù)據(jù)的外傳通信。

整個(gè)采集模塊由DC-DC和穩(wěn)壓單元供電，DC-DC變換 器提供整個(gè)微處理器的電源，而穩(wěn)壓電路提供通信單元的光 耦隔離的電源。后端的共享采集器定時(shí)對每個(gè)智能水表的采 集模塊進(jìn)行通信采集，采集數(shù)據(jù)包括用戶的用水量及相應(yīng)信 息。前端采集塊掉電后，備用電源對微處理器進(jìn)行供電，以 保證用水量的實(shí)時(shí)采集，避免不必要的損失。該采集模塊有 兩種工作狀態(tài)：空閑狀態(tài)和正常工作狀態(tài)，當(dāng)相鄰兩個(gè)采集中 斷間隔時(shí)間超過規(guī)定時(shí)間時(shí)，模塊則進(jìn)入空閑工作狀態(tài)。

3收據(jù)共享采集器模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)共享采集器由電源電路、微處理器、看門狗電路、 前向和后向通信接口電路及備用電源等組成，其原理簡圖如圖 3所示。主要電路功能如下：

3.1前向通信單元

該通信單元實(shí)現(xiàn)該采集器模塊和前端各用戶智能水表之 間的連接，采用RS-485總線與智能水表進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其通 信方式為主從式總線結(jié)構(gòu)。

3.2后向通信單元

該通信單元是該采集器模塊與小區(qū)集中器之間的通信接 口電路，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)共享采集器與小區(qū)集 中器之間的通信。

3.3備用電源

本級備用電源的目的就是當(dāng)本級出現(xiàn)掉電情況時(shí)，備用電 源能使微處理器繼續(xù)工作一段時(shí)間，以避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的 現(xiàn)象，特別是保證將匯集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于E2PROM之中。

3.4定時(shí)電路

定時(shí)電路是由專門的定時(shí)芯片設(shè)計(jì)而成的，本文采用一 種多功能時(shí)鐘芯片PCF 8563［8］。其目的是觸發(fā)微處理器周期 性采集各用戶的用水量信息以及各水表的工作狀態(tài)信息。假設(shè) 該周期為十分鐘，則每隔十分鐘，采集器就會(huì)對各用戶水表進(jìn) 行巡檢，并根據(jù)命令提供水表的相關(guān)數(shù)據(jù)。該定時(shí)電路的原 理簡圖如圖4所示。

該采集器作為智能水表和小區(qū)集中器之間的一個(gè)中間轉(zhuǎn) 換模塊，其主要作用：一是匯集各用戶智能水表采集得到的 各用戶用水量數(shù)據(jù)及相應(yīng)信息，并保存各戶數(shù)據(jù)以備上一級調(diào) 用，同時(shí)周期性的檢測各智能水表的工作狀態(tài)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn) 出現(xiàn)故障的智能水表，盡可能的減少供水企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)損 失；二是把匯集來的各用戶用水量數(shù)據(jù)和水表狀態(tài)通過通信 單元送往上一級，即小區(qū)集中器。

4 ZigBee無線模塊設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù) 速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記 技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。ZigBee技術(shù)可采用的拓?fù)淠Ｐ?有星型、簇狀樹形和網(wǎng)格（Mesh）型［2］。主要用于近距離無 線連接，適合于自動(dòng)控制和及遠(yuǎn)程遙控領(lǐng)域，適用于無線水表抄表系統(tǒng)。

構(gòu)建具有無線通信功能的ZigBee節(jié)點(diǎn)，所需的主要硬件 為:微處理器及其外圍功能電路、一塊符合ZigBee協(xié)議的芯 片以及天線部分。本文選用的無線傳感節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的核心是具有 高度集成性的ZigBee芯片MC13213,該芯片集成了 1個(gè)符合 IEEE 802.15.4協(xié)議的2.4 GHz收發(fā)器和飛思卡爾公司的低電 壓低功耗HCS08微處理器，具有體積小，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。 一個(gè)完整的ZigBee無線系統(tǒng)主要包括ZigBee芯片,射頻天線， LED顯示電路，鍵盤電路和電源電路等，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5 所示。

ZigBee無線模塊的通信方式可選用Beacon的方式，使 得總站能夠隨時(shí)隨地的了解每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，同時(shí)該 方式可以有效的減少無謂的通信。Beacon方式分成若干時(shí)間 段(Slot)，ZigBee節(jié)點(diǎn)只在規(guī)定的Slot時(shí)間與路由器(Router) 或者調(diào)節(jié)器(Coordinator)進(jìn)行通信，以使RF模塊在大部分 時(shí)間也處于低功耗的狀態(tài)，降低系統(tǒng)的功耗。

5小區(qū)集中器模塊設(shè)計(jì)

小區(qū)集中器與收據(jù)共享采集器相類似，是采集器和后臺(tái) 主機(jī)之間數(shù)據(jù)的一個(gè)中轉(zhuǎn)站。由于ZigBee覆蓋的區(qū)域范圍有 限，小區(qū)集中器的設(shè)置可以極大的拓寬該智能抄表系統(tǒng)的覆 蓋區(qū)域。工作過程中，利用ZigBee無線傳輸技術(shù)，小區(qū)集中 器將其覆蓋的小區(qū)內(nèi)的采集器周期性采集的數(shù)據(jù)匯集到該集 中器中。同時(shí)，隨時(shí)應(yīng)答后臺(tái)主機(jī)服務(wù)器的呼叫，采用PSTN 將匯集的數(shù)據(jù)送入后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行管理，完成相應(yīng)的任務(wù)。

跟采集器一樣，小區(qū)集中器由微處理器、E2PROM存儲(chǔ) 器與RAM存儲(chǔ)器、復(fù)位電路、前向通信接口電路、后向通信 接口電路、電源電路、備用電源、定時(shí)電路及看門狗電路等組 成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。前向通信單元負(fù)責(zé)通過ZigBee 接收器和前級的采集器進(jìn)行通信，后向通信單元?jiǎng)t通過PSTN 實(shí)現(xiàn)該級和后臺(tái)主機(jī)服務(wù)器間的通信任務(wù)。

用戶水表數(shù)據(jù)與相關(guān)信息的安全存儲(chǔ)對于本文設(shè)計(jì)的 IWRS極為重要，考慮到該系統(tǒng)正常工作中不斷的有大量 的信息需要存儲(chǔ)。因此，本文選用CMOS系列E2PROM- CAT24WC02存儲(chǔ)器，其原理圖如圖7所示。該存儲(chǔ)器的數(shù) 據(jù)總線采用I2C傳輸協(xié)議，具有功耗低、壽命長的優(yōu)點(diǎn)， 適用于本文所設(shè)計(jì)的智能抄表系統(tǒng)。

6結(jié)語

結(jié)合有線自動(dòng)式與無線式抄表系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一 種新型智能水表抄表系統(tǒng)。采用微處理器作為數(shù)據(jù)處理的核 心平臺(tái)，結(jié)合低成本的ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)與PSTN網(wǎng)絡(luò), 構(gòu)建了該智能系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，針對ZigBee無線組網(wǎng)覆蓋面 積小的不足，設(shè)立了小區(qū)集中器，極大的拓寬了該智能抄表系 統(tǒng)的有效覆蓋區(qū)域。本文所設(shè)計(jì)的智能抄表系統(tǒng)具有使用方 便、成本低，安裝方便、集中抄表范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種理 想的水電部門水電生產(chǎn)、計(jì)量和管理的自動(dòng)化方式，具有重要 的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

20211121_619a230aa02a1__一種新型智能水表抄表系統(tǒng)