谷同會，付力峰，王玉坤

（1．河北省水利科學(xué)研究院，石家莊 050057；2．石家莊市軍鋒科創(chuàng)科技有限公司，石家莊 050004）

一種無損耗無偏差I(lǐng)C卡遠(yuǎn)傳水表的研制研究

谷同會1，付力峰2，王玉坤1

（1．河北省水利科學(xué)研究院，石家莊 050057；2．石家莊市軍鋒科創(chuàng)科技有限公司，石家莊 050004）

通過收集、整理和研究國內(nèi)水資源管理中智能IC卡發(fā)訊水表的資料，發(fā)現(xiàn)在用的發(fā)訊水表不同程度地存在很多問題。通過深入研究遠(yuǎn)傳水表的現(xiàn)狀，將特殊功能的圖像傳感器和廉價的微處理器內(nèi)置于發(fā)訊基表內(nèi)部，該微處理器在基表前端對用水圖像信息用特定算法進(jìn)行解讀后再壓縮上傳到測控中心，設(shè)計(jì)了水表線陣圖像抄表單元。相信它對于提升供水管理部門的工作效率，減少水費(fèi)征收糾紛問題會起到良好作用。

水資源管理；無損耗無偏差；遠(yuǎn)傳水表；研制研究

取水計(jì)量是強(qiáng)化水資源管理，實(shí)施取水許可制度，實(shí)現(xiàn)水資源宏觀調(diào)控、優(yōu)化配置的重要措施。目前，城市供水計(jì)量用水到戶是國家實(shí)施節(jié)水管理的強(qiáng)制性政策和收費(fèi)依據(jù)，農(nóng)村供水計(jì)量也是我國未來的發(fā)展方向，是實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度、提高管理水平的重要手段。除農(nóng)業(yè)地表水灌區(qū)可以利用渠首水工建筑物或者專用計(jì)量設(shè)備計(jì)量管理外，城市供水和農(nóng)業(yè)機(jī)井供水計(jì)量大多采用輸水管道加水表或流量計(jì)管理方式，以水表為基表［1］，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了智能（IC）水表或叫發(fā)訊遠(yuǎn)傳水表［2-3］，本文就水資源計(jì)量管理中“一種無損耗無偏差遠(yuǎn)傳水表的研制”進(jìn)行了研究。

1 現(xiàn)狀概述

為了提高水表的抄表效率和實(shí)時了解用戶用水信息，很多自來水公司都在廣泛使用各種遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表系統(tǒng)（以下簡稱發(fā)訊水表）。通過收集、整理和研究國內(nèi)發(fā)訊水表的資料，發(fā)現(xiàn)在用的發(fā)訊水表不同程度地存在很多問題。

1.1 磁性開關(guān)（如干簧管，霍爾元件，韋根傳感等方式）發(fā)訊水表

這類水表原理是基表每計(jì)量一定水量，例如0.1t或1t，磁性開關(guān)發(fā)出一個代表用水計(jì)量單位的電脈沖。后續(xù)的信息處理電路，通過不斷地累加所接收到的電脈沖個數(shù)來計(jì)算用戶的用水量。這種發(fā)訊水表存在4個致命缺陷：①每個發(fā)訊水表需要配備1塊備用電池來保存用水信息，導(dǎo)致水表成本增加，而且需要定期更換電池，大量替換下來的鋰電池存在一定的危險性（參見國內(nèi)外關(guān)于鋰電池爆炸報(bào)道［4-6］。同時，筆者就曾經(jīng)遇到過兩次鋰電池爆炸的事件），并對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。②由于采用的干簧管屬于機(jī)械性開關(guān)，其吸合次數(shù)有限。因此干簧管會隨著磁片吸合次數(shù)增加，觸點(diǎn)閉合可靠性降低，造成計(jì)量準(zhǔn)確度下降。發(fā)訊水表機(jī)械顯示和電子顯示的偏差會不斷增加，導(dǎo)致自來水公司和用戶的結(jié)算糾紛不斷產(chǎn)生和激化。③磁鐵與干簧管之間的相互作用力會阻礙機(jī)械指針的轉(zhuǎn)動，從而增加基表的始動水量，最終表現(xiàn)為“水在流，表不走”的現(xiàn)象，不斷加大各用戶分表水量之和與總管道大表用水量之間存在的計(jì)量偏差。④水中含有的鐵粉或?qū)Т诺姆勰╊w粒會不斷吸附在水中磁鐵表面，最終會導(dǎo)致水表旋轉(zhuǎn)計(jì)量部分受阻，水表報(bào)廢。

1.2 光電傳感發(fā)訊水表

這類水表的工作原理是用戶用水時，水表指針帶動一個圓盤旋轉(zhuǎn)，圓盤上有間斷的透明和不透明區(qū)域。轉(zhuǎn)動的圓盤不斷改變通過光線的強(qiáng)弱，利用光電傳感器感應(yīng)光線的強(qiáng)弱來完成用水信息電脈沖的產(chǎn)生。這種水表仍需要為每個發(fā)訊水表配備1個備用電池來保存用水信息，依然存在之前描述的缺陷。

1.3 電阻編碼遠(yuǎn)傳水表

這類遠(yuǎn)傳水表通過流水驅(qū)動機(jī)械基表上與每個指針軸同步轉(zhuǎn)動的滑動電阻觸點(diǎn)完成用水信息的收集。對應(yīng)于一般的家用水表的計(jì)量精度一般是0.01t，即用戶每使用0.01t水，滑動電阻的觸點(diǎn)摩擦滑動一個特定長度。由于存在機(jī)械摩擦的損耗，隨著用水量增多，滑動電阻的電觸點(diǎn)會很快失效。這類似于以前的老式收音機(jī)、電視機(jī)等音量旋鈕開關(guān)，經(jīng)過很短時間使用后，音量調(diào)節(jié)時有雜音或音量大小突變的現(xiàn)象。由于基表上的每個指針軸都有一個電位器，造成電觸點(diǎn)出現(xiàn)失效的可能性成倍增加。同時由于存在電觸點(diǎn)與電阻之間的摩擦阻力，因此這類水表也存在電觸點(diǎn)容易失效，水表始動流量大的缺陷。

1.4 結(jié)算

通過攝像頭將水表的用水信息圖像采集并上傳到測控中心進(jìn)行結(jié)算。這樣的方案也存在一些弊端：①由于攝像頭采集的用水信息是圖片格式，因此信息量會非常大。為了降低系統(tǒng)的成本，不可能在每塊水表上用高價位微處理器進(jìn)行圖像解碼，而是將圖像信息直接上傳到采集中心，這樣會造成數(shù)據(jù)通訊量劇增，這些海量信息數(shù)據(jù)如果通過GPRS方式遠(yuǎn)距離傳輸，會造成難以承受的巨額流量費(fèi)。②對圖像的判別和用水信息的更新登記，增加了測控中心的日常工作量，降低了工作能效。③為了拍攝表頭的機(jī)械指數(shù)，同時為了保證拍攝的用水信息與用戶看到的用水信息一致，需要將攝像頭安裝在基表外部，進(jìn)而增加了系統(tǒng)成本、安裝費(fèi)用，維護(hù)費(fèi)用（定期鏡頭清潔等）；同時防破壞性能降低，更容易被破壞。

2 解決思路概述

通過深入地研究遠(yuǎn)傳水表的現(xiàn)狀，將特殊功能的圖像傳感器和廉價的微處理器內(nèi)置于發(fā)訊基表內(nèi)部（如圖1），并使用該微處理器在基表前端將用水圖像信息（如圖2）按照特定算法（如圖3）進(jìn)行解讀后再壓縮上傳到測控中心。

圖1 編碼字輪排布位置

圖2 編碼字輪圖案數(shù)字對應(yīng)關(guān)系

圖3 編碼字輪指數(shù)位置計(jì)算

3 實(shí)現(xiàn)方式

為了實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性圖像遠(yuǎn)傳，首先采用CCD線陣圖像傳感器TCD1206SUP進(jìn)行編碼圖像讀取，然后利用低價位的微處理器對圖像信息進(jìn)行判讀解碼后，將計(jì)算得到的用水信息壓縮和上傳。

3.1 TCD1206的主要特點(diǎn)

TCD1206是一款高靈敏度、低暗電流、2160像元的雙溝道線陣CCD圖像傳感器。由2236個PN結(jié)光電二極管構(gòu)成光敏元陣列，其中前64個和后12個是用作暗電流檢測而被遮蔽的，中間2160個光電二極管是曝光像敏單元，每個光敏單元的尺寸為長14μm、高14μm，中心距亦為14μm。光敏元陣列總長30.24mm［7］。

3.2 TCD1206的主要特性

①光敏像元數(shù)為2160像元；②像敏單元為：14μm×14μm（相鄰像元中心距為14μm）；③光譜范圍為250～1100nm；④光敏區(qū)域采用高靈敏度PN結(jié)作為光敏單元；⑤時鐘為二相（5V）；⑥內(nèi)部電路包含采樣保持電路，輸出預(yù)放大電路；⑦采用22引腳DIP封裝。

3.3 TCD1206的結(jié)構(gòu)原理

TCD1206是二相電極的雙溝道線型CCD，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。中間一排是由多個光敏二極管構(gòu)成的光敏陣列，有效單元為2160位，其作用是接收照射到CCD硅片的光，并將其轉(zhuǎn)化成電荷信號，光敏元兩側(cè)是存儲其電荷的MOS電容列存儲柵。MOS電容列兩側(cè)是轉(zhuǎn)移柵電極SH。轉(zhuǎn)移柵的兩側(cè)為CCD模擬移位寄存器，其輸出部分由信號輸出單元和補(bǔ)償單元構(gòu)成。

圖4 TCD1206結(jié)構(gòu)原理圖

4 驅(qū)動時序分析及驅(qū)動設(shè)計(jì)

TCD1206在圖5所示的驅(qū)動脈沖作用下工作。當(dāng)SH脈沖高電平到來時，準(zhǔn)1脈沖為高電平，其下形成深勢阱，同時SH的高電平使準(zhǔn)1電極下的深勢阱與MOS電容存儲勢阱溝通。MOS電容中的信號電荷包通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的準(zhǔn)1電極下的勢阱中。當(dāng)SH由高變低時，SH低電平形成的淺勢阱將存儲柵下的勢阱與準(zhǔn)1電極下的勢阱隔離開。存儲柵勢阱進(jìn)入光積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在準(zhǔn)1與準(zhǔn)2脈沖的作用下驅(qū)使轉(zhuǎn)移到準(zhǔn)1電極下勢阱中的信號電荷向左轉(zhuǎn)移，并經(jīng)輸出電路由OS電極輸出。DOS端輸出補(bǔ)償信號。

圖5 TCD1206驅(qū)動時序

5 信息判讀的實(shí)現(xiàn)方法

5.1 編碼字輪詳細(xì)說明

在基表的數(shù)碼字輪上印刷有代表該位數(shù)字的編碼圖像，如圖2所示。不同的數(shù)字位置對應(yīng)黑色著色區(qū)占編碼框?qū)挾鹊牟煌壤１热?，?shù)字6對應(yīng)黑色著色區(qū)為編碼框的60%；數(shù)字2對應(yīng)黑色著色區(qū)為編碼框的20%；其他數(shù)字依次類推。唯一特殊的就是數(shù)字0，當(dāng)黑色著色區(qū)為編碼區(qū)100%表示達(dá)到本輪數(shù)字的10，當(dāng)黑著色區(qū)為編碼區(qū)小于10%，表示到達(dá)下一輪數(shù)字0的位置。

5.2 編碼信息的處理過程

微處理器通過特定的時序讀取CCD線陣圖像傳感器的圖像像素信息。由圖5可知，圖像傳感器輸出的信息里依次包含：由13位虛設(shè)單元信號和51個暗信號（相當(dāng)于內(nèi)置的純黑圖像像素，下同）組成的64位啞元輸出；2160位像元（圖像）輸出；由9位暗信號，2位奇偶檢測信號，1位空信號組成的12位啞元輸出。由讀取的像素信息可以得到該圖像傳感器對于純黑圖像的響應(yīng)輸出；圖像采集區(qū)的像素采集信息。

下面為計(jì)算和統(tǒng)計(jì)黑白像素的分布過程：

（1）計(jì)算每個像素信號電壓相對于暗信號電壓比值，可以得知該像素的灰度等級。把編碼圖像框邊際的黑色段信號輸出平均值作為基準(zhǔn)，以該基準(zhǔn)的±20%作為黑色段信號的判定邊界條件，從而可以判定該像素是黑色還是白色圖像。

（2）按照以上的方式依次判定，統(tǒng)計(jì)處理可以得知2160個像素中黑白像素的分布情況。

（3）按照有效像素中的黑白像素分布情況，開始計(jì)算每個字輪的當(dāng)前數(shù)字位置。下面以圖6為例計(jì)算分析其中一個字輪的圖像特征。

圖6 采集圖像例子

計(jì)算依據(jù)：實(shí)際尺寸=像素點(diǎn)數(shù)×14μm

編碼圖像框?qū)挾?相鄰兩個黑色段右側(cè)起始端的編號差值×14μm

黑色編碼段寬度=（右側(cè)黑色段編碼差值－左側(cè)黑色段編碼差值÷2）×14μm

當(dāng)前位置數(shù)字=黑色編碼段寬度÷編碼圖像寬度×10

最后，依照以上計(jì)算原理，可以依次推算得到每一個數(shù)字字輪的當(dāng)前指數(shù)，進(jìn)而得知該水表的當(dāng)前用水量信息。

6 結(jié)語

面對我國水資源供需矛盾日益尖銳和嚴(yán)重匱乏的局面，水資源統(tǒng)一管理，計(jì)量收費(fèi)是最有效的措施，全面征收水資源費(fèi)、超計(jì)劃用水加價收費(fèi)這些都是未來的必然趨勢。隨著科技的進(jìn)步，目前發(fā)展起來的智能（IC）水表或叫發(fā)訊遠(yuǎn)傳水表，給現(xiàn)代化水資源管理提供了便利［8］。本文針對目前發(fā)訊水表存在的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性低，始動流量大，成本高，安全性差，維護(hù)成本高等弊端，設(shè)計(jì)了水表線陣圖像抄表單元。相信它對于提升供水管理部門的工作效率，減少水費(fèi)征收糾紛問題會起到良好的作用。

［1］李清欣，鄒偉.取水計(jì)量設(shè)施在水資源管理中的應(yīng)用［J］.黑龍江水利科技，2010（2）：178-179.

［2］李子春，周長旭，張眾，等.IC智能卡管理系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用［J］.節(jié)水灌溉，1999（4）：30-34.

［3］魏秀愛.豐南區(qū)智能IC卡水表的安裝與管理［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2014（1）：95-96.

［4］趙飛.對鋰電池安全問題的風(fēng)險管理［D］.上海：華東理工大學(xué)，2013.

［5］陳玉紅，唐致遠(yuǎn)，盧星河，等.鋰離子電池爆炸機(jī)理研究［J］.化學(xué)進(jìn)展，2006，18（6）.

［6］吳照文.鋰離子電池會成為我們身邊的炸彈嗎［J］.工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007（1）：31-38.

［7］高志國，萬堃，曹益平.VHDL在CCD驅(qū)動電路中的應(yīng)用［J］.光學(xué)儀器，2006，28（3）：21-27.

［8］王福卿，高明山，金江波.井灌類型區(qū)節(jié)水灌溉監(jiān)控設(shè)施——IC卡機(jī)井取水控制器［J］.南水北調(diào)與水利科技，2006，4（5）.

Development and Design of IC Card Remote Water Metering System Without Loss and Deviation

GU Tong-hui1，F(xiàn)U Li-feng2，WANG Yu-kun1
（1.Hebei Provincial Academy of Water Resources，Shijiazhuang 050057，China；2.Shijiazhuang Junfeng Innovations and Technology Limited Company，Shijiazhuang 050004，China）

In this study，a lot of problems have been found in the remote water metering system through collecting，sorting and studying the data of the smart IC card far passing water gauge in domestic water resources management.Based on intense research on the present situation of the remote meter，image sensor with special function and cheap microprocessors were embedded in water gauge.With the microprocessors，image information of water consumption can be interpreted according to the specific algorithm，and compressed，uploaded to the measurement and control center.Thus，the linear image sensor was developed.To be sure，it will play a positive role in improving work efficiency of water management departments and reducing disputes during water fee collection.

water resource management；without loss and deviation；remote water meter；development of research

TV213

B

1672-9900（2014）03-0009-05

2014-05-12

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201301011）資助

谷同會（1974-），男（漢族），河南濮陽人，工程師，主要從事水利自動化研究、開發(fā)工作，（Tel）15930161984。