摘 要：由抄表人員逐戶查抄表的傳統(tǒng)方式，需要消耗大量的人力、物力，且采集數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度大，準(zhǔn)確度低。針對(duì)此問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種用于水表抄表的新型智能系統(tǒng)，該方式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(wú)線組網(wǎng)技術(shù)與PSTN網(wǎng)絡(luò)，來(lái)構(gòu)建智能系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)，并針對(duì)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)覆蓋面積小的不足，設(shè)立了小區(qū)集中器，極大地拓寬了該智能抄表系統(tǒng)的有效覆蓋區(qū)域。該智能抄表系統(tǒng)，不僅可以降低抄表成本，而且可以實(shí)現(xiàn)水表管理的集中化與智能化，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水表抄表；智能系統(tǒng)；ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)識(shí)別碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2014）06-0016-03

0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[1-2]。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(wú)線智能式[1-4]。智能卡水表不實(shí)行抄表，也無(wú)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(chǎng)上各抄表開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的公司多用此型，但該系統(tǒng)需要鋪設(shè)專門(mén)的通信電纜，存在繁重的布線問(wèn)題，維護(hù)困難，因此成本較高。在無(wú)線智能式抄表系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送。此類水表無(wú)需敷設(shè)線路，維護(hù)與安裝方便，大多數(shù)使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線頻率和自制的專用通信協(xié)議[4]。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，智能水表已經(jīng)越來(lái)越多地走進(jìn)千家萬(wàn)戶，而在上述諸多方案中，無(wú)線遠(yuǎn)傳的方案正越來(lái)越多的受到業(yè)界的廣泛關(guān)注[2-3，5]。

本文結(jié)合有線自動(dòng)式與無(wú)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(jiǎn)稱IWRS）。該系統(tǒng)由采集器采集底層水表數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee無(wú)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(jiǎn)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(guò)RS-485總線定期發(fā)送至采集器。采集器通過(guò)無(wú)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(duì)η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(guò)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(wú)線模塊。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

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(duì)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(cè)[6]，通過(guò)微處理器（以下簡(jiǎn)稱CPU）進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及外部通信[7]，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(mén)狗芯片（X5045）、供電電源、通信單元及穩(wěn)壓電路等組成。

圖2采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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

（1）

式中， 為一段時(shí)間間隔內(nèi)用戶的用水量， 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(guò)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(lái)一個(gè)脈沖就觸發(fā)中斷一次，在中斷服務(wù)程序中對(duì)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(qǐng)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?jiǎn)卧╇姡珼C-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(duì)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(duì)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(guò)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(mén)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(jiǎn)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)。

圖3采集器結(jié)構(gòu)框圖

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(wú)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(jí)備用電源的目的就是當(dāng)本級(jí)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(mén)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(duì)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(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4定時(shí)電路原理圖

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(jí)調(diào)用，同時(shí)周期性的檢測(cè)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(lái)的各用戶用水量數(shù)據(jù)和水表狀態(tài)通過(guò)通信單元送往上一級(jí)，即小區(qū)集中器。

4ZigBee無(wú)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(wú)線通信技術(shù)，它是一種介于無(wú)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陀行切?、簇狀?shù)形和網(wǎng)格（Mesh）型[2]。主要用于近距離無(wú)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(wú)線水表抄表系統(tǒng)。

構(gòu)建具有無(wú)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(wú)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MCl3213，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(wú)線系統(tǒng)主要包括ZigBee芯片，射頻天線，LED顯示電路，鍵盤(pán)電路和電源電路等，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5ZigBee模塊簡(jiǎn)圖

ZigBee無(wú)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(wú)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[2]。

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(guò)程中，利用ZigBee無(wú)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(mén)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(guò)ZigBee接收器和前級(jí)的采集器進(jìn)行通信，后向通信單元?jiǎng)t通過(guò)PSTN實(shí)現(xiàn)該級(jí)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(duì)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(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)[6]，適用于本文所設(shè)計(jì)的智能抄表系統(tǒng)。

圖6小區(qū)集中器結(jié)構(gòu)框圖

圖7E2PROM存儲(chǔ)器原理圖

6結(jié)語(yǔ)

結(jié)合有線自動(dòng)式與無(wú)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(wú)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(duì)ZigBee無(wú)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(mén)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。

參 考 文 獻(xiàn)

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