一种新型智能水表抄表系统

引言

随着住宅单元化和高层化，供水企业的抄表工作面临巨 大的挑战，一方面人户难，另一方面抄表工作量急剧上升。实 现水表数字化和抄表自动化，已成为供水企业亟待解决的难 题。当前水表自动抄表系统主要有三大类型：智能卡式、 有线自动抄表式、无线智能式。智能卡水表不实行抄表, 也无联网，因此难以监控把握供水的调度和均衡，制约了其 普及。有线自动抄表系统单纯从技术上讲较成熟，目前市场上 各抄表开发系统的公司多用此型，但该系统需要铺设专门的 通信电缆，存在繁重的布线问题，维护困难，因此成本较高。 在无线智能式抄表系统中，数据通过无线方式实现接收和发 送。此类水表无需敷设线路，维护与安装方便，大多数使用 国际标准无线频率和自制的专用通信协议叫随着技术水平的 发展，智能水表已经越来越多地走进千家万户，而在上述诸 多方案中，无线远传的方案正越来越多的受到业界的广泛关注。

本文结合有线自动式与无线式抄表系统各自的优点，设 计了一种新型智能水表抄表系统（Intelligent Water-meter Reading System，以下简称IWRS）。该系统由采集器采集底 层水表数据，通过ZigBee无线技术实现采集器与小区集中器 间的数据通信，再利用电话网（以下简称PSTN）将集中器的 数据传送给抄表中心的监控服务器。采用PSTN进行集中器 与服务器间的数据传输，具有速度快、传输数据量大等优点， 非常适合合于水表抄表这样采集点数量多、范围广、距离远的 系统采用。同时，本文所提出的IWRS可实现多套水表数据的同步抄送，从而充分利用通信设备，节约成本。

1智能抄表系统结构

IWRS的系统结构框图如图1所示。IWRS主要由智能水 表、多用户共享采集器、小区集中器、主站服务器等4部分 构成。每户居民家设置一只智能水表，智能水表采集到的用水 量数据通过RS-485总线定期发送至采集器。采集器通过无 线ZigBee网络与小区中心的集中器进行数据通信，小区集中 器的存在可以极大的拓宽该智能抄表系统的覆盖区域。利用 PSTN最终将系统服务器与分散于各物业小区的集中器连接, 形成1对〃的连接形式，实现集中器和数据中心系统的实时在 线连接。在设计过程中，IWRS主要分为四大模块：智能水表 采集模块、共享采集器模块、小区集中器模块以及ZigBee无 线模块。

2智能水表采集模块的设计

智能水表采集模块采集数据的对象是普通机械式水表,本文采用光电传感器进行水表用水量的监测［6］,通过微处理器 （以下简称CPU）进行数据的处理及外部通信,其结构框图 如图2所示。从图2可以看出，整个采集模块块由光电传感器、 脉冲整形电路、微处理器单元、看门狗芯片（X5045）、供电电源、 通信单元及稳压电路等组成。

本文采用流量监测单元进行用户用水量的监测，水表计 数转盘每转动一圈，光电传感器接收到一次激励信号，并传 送出一个计量脉冲，假设转盘每转动一圈对应的流量为q m3, 则一个计量脉冲对应的流量也为q m3。根据此原理，可得用 户用水量为：

式中，TQ 为一段时间间隔内用户的用水量，TN为一段时间 内的脉冲累加数，q称为基表系数。

计数脉冲经过整形电路整形后送入微处理器芯片进行数 据的处理，CPU将采样得到的计数脉冲进行实时累加，其计 数触发采用中断方式，即：来一个脉冲就触发中断一次，在中 断服务程序中对内部RAM的脉冲数增一。将累加值乘以基表 系数即得到累计流量值，再将累计流量值从十六进制数转换 成十进制数，然后进行从高到低的逐位拆分并转换成ASCII 码依次存放到数据缓冲区。当通讯接口电路启动有效通讯请求 时，CPU将数据缓冲区的数据从高到低依次串行送入通讯接 口电路的相关单元，完成数据的外传通信。

整个采集模块由DC-DC和稳压单元供电，DC-DC变换 器提供整个微处理器的电源，而稳压电路提供通信单元的光 耦隔离的电源。后端的共享采集器定时对每个智能水表的采 集模块进行通信采集，采集数据包括用户的用水量及相应信 息。前端采集块掉电后，备用电源对微处理器进行供电，以 保证用水量的实时采集，避免不必要的损失。该采集模块有 两种工作状态：空闲状态和正常工作状态，当相邻两个采集中 断间隔时间超过规定时间时，模块则进入空闲工作状态。

3收据共享采集器模块的设计

数据共享采集器由电源电路、微处理器、看门狗电路、 前向和后向通信接口电路及备用电源等组成，其原理简图如图 3所示。主要电路功能如下：

3.1前向通信单元

该通信单元实现该采集器模块和前端各用户智能水表之 间的连接，采用RS-485总线与智能水表进行数据通信，其通 信方式为主从式总线结构。

3.2后向通信单元

该通信单元是该采集器模块与小区集中器之间的通信接 口电路，采用ZigBee无线网络建立数据共享采集器与小区集 中器之间的通信。

3.3备用电源

本级备用电源的目的就是当本级出现掉电情况时，备用电 源能使微处理器继续工作一段时间，以避免出现数据丢失的 现象，特别是保证将汇集的数据存储于E2PROM之中。

3.4定时电路

定时电路是由专门的定时芯片设计而成的，本文采用一 种多功能时钟芯片PCF 8563［8］。其目的是触发微处理器周期 性采集各用户的用水量信息以及各水表的工作状态信息。假设 该周期为十分钟，则每隔十分钟，采集器就会对各用户水表进 行巡检，并根据命令提供水表的相关数据。该定时电路的原 理简图如图4所示。

该采集器作为智能水表和小区集中器之间的一个中间转 换模块，其主要作用：一是汇集各用户智能水表采集得到的 各用户用水量数据及相应信息，并保存各户数据以备上一级调 用，同时周期性的检测各智能水表的工作状态，以及时发现 出现故障的智能水表，尽可能的减少供水企业的直接经济损 失；二是把汇集来的各用户用水量数据和水表状态通过通信 单元送往上一级，即小区集中器。

4 ZigBee无线模块设计

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据 速率、低成本的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记 技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee技术可采用的拓扑模型 有星型、簇状树形和网格（Mesh）型［2］。主要用于近距离无 线连接，适合于自动控制和及远程遥控领域，适用于无线水表抄表系统。

构建具有无线通信功能的ZigBee节点，所需的主要硬件 为:微处理器及其外围功能电路、一块符合ZigBee协议的芯 片以及天线部分。本文选用的无线传感节点平台的核心是具有 高度集成性的ZigBee芯片MC13213,该芯片集成了 1个符合 IEEE 802.15.4协议的2.4 GHz收发器和飞思卡尔公司的低电 压低功耗HCS08微处理器，具有体积小，成本低廉的优点。 一个完整的ZigBee无线系统主要包括ZigBee芯片,射频天线， LED显示电路，键盘电路和电源电路等，其结构简图如图5 所示。

ZigBee无线模块的通信方式可选用Beacon的方式，使 得总站能够随时随地的了解每个ZigBee节点的状态，同时该 方式可以有效的减少无谓的通信。Beacon方式分成若干时间 段(Slot)，ZigBee节点只在规定的Slot时间与路由器(Router) 或者调节器(Coordinator)进行通信，以使RF模块在大部分 时间也处于低功耗的状态，降低系统的功耗。

5小区集中器模块设计

小区集中器与收据共享采集器相类似，是采集器和后台 主机之间数据的一个中转站。由于ZigBee覆盖的区域范围有 限，小区集中器的设置可以极大的拓宽该智能抄表系统的覆 盖区域。工作过程中，利用ZigBee无线传输技术，小区集中 器将其覆盖的小区内的采集器周期性采集的数据汇集到该集 中器中。同时，随时应答后台主机服务器的呼叫，采用PSTN 将汇集的数据送入后台服务器进行管理，完成相应的任务。

跟采集器一样，小区集中器由微处理器、E2PROM存储 器与RAM存储器、复位电路、前向通信接口电路、后向通信 接口电路、电源电路、备用电源、定时电路及看门狗电路等组 成，其结构框图如图6所示。前向通信单元负责通过ZigBee 接收器和前级的采集器进行通信，后向通信单元则通过PSTN 实现该级和后台主机服务器间的通信任务。

用户水表数据与相关信息的安全存储对于本文设计的 IWRS极为重要，考虑到该系统正常工作中不断的有大量 的信息需要存储。因此，本文选用CMOS系列E2PROM- CAT24WC02存储器，其原理图如图7所示。该存储器的数 据总线采用I2C传输协议，具有功耗低、寿命长的优点， 适用于本文所设计的智能抄表系统。

6结语

结合有线自动式与无线式抄表系统各自的优点，设计了一 种新型智能水表抄表系统。采用微处理器作为数据处理的核 心平台，结合低成本的ZigBee无线组网技术与PSTN网络, 构建了该智能系统的通信结构，针对ZigBee无线组网覆盖面 积小的不足，设立了小区集中器，极大的拓宽了该智能抄表系 统的有效覆盖区域。本文所设计的智能抄表系统具有使用方 便、成本低，安装方便、集中抄表范围广等优点，是一种理 想的水电部门水电生产、计量和管理的自动化方式，具有重要 的实际应用价值。

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