与数字化城市相配套的水表数据采集系统

孙晓宇

摘 要：该文描述了一种城市自来水数据自动采集系统的构成方式。论述了直读式电子水表，采集板、集中器的原理和功能，通过多种总线传输和无线通信技术，实现了整个城市水表数据准确及时的采集和汇总。

关键词：自来水表采集系统 直读水表 采集板 集中器

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0102-02

我国是一个缺水严重的国家。全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题。所以每个城市的水资源合理的管理和应用，就摆在了一个尤其重要的位置。

我国传统的自来水计量收费管理，大多采用机械式的字轮或指针水表，自来水单位的抄表员登门入户进行人工抄表收费的方式，这种收费方式存在着许多弊端，例如：扰民、无法入户、误读数等，这样就使得水的计量数据采集的不及时、不准确，加剧了供需矛盾，也无法进行量化管理。因此，城市自来水计量的准确、及时是有着很大的经济和社会意义的。

该文论述的采用直读式电子水表，利用多种总线传输技术、无线通信技术、和计算机技术组成的城市自来水水表数据采集系统，能够实现整个城市水表数据的准确、及时的采集、汇总。为数字化的精准管理提供了可靠数据。

1 系统的组成

城市建设中有老建筑和新建筑的小区，建筑的密度也多种多样，地理地势情况比较复杂，因此要经济合理的组建城市自来水水表数据采集系统，就要利用现有的先进技术，因地制宜。我们组建的系统如图1。

图1中描述了整个系统的构成，各方块图之间的传输方式选择是从经济性、可靠性和安装维护方便而优化选择的。各种传输方式的比较如表1。

2 直读式水表

直读式水表是在普通干式或湿式水表中加入光电编码器构成的。光电编码器是采用传感器技术，将水表内部机械字轮上插入5对透射光耦，机械字轮上刻有可透光的光栅，光栅的大小是与字轮上的0～9的数字成一定的逻辑关系，因而5对光耦接收到的光电编码就对应着机械轮上所显示的数字位置。

直读水表内置单片机系统，具有以下功能：（1）读取光耦的编码数据，通过二进制位置解析程序计算出机械字轮上显示的数字；（2）自动检测水表的工作状态，有故障等异常信息及时上报；（3）通过M-Bus总线接口上传水表的各种数据和状态编码。每个水表都有唯一的地址编码，用来识别水表，该地址码可以通过M-Bus总线进行更改和设定。

通过直读式水表的原理结构可知，直读表具有以下优点：（1）只需在读表瞬间通电，因而功耗低，不需要自备电池；（2）获得的代码速度快；（3）在字轮转到两个数字之间时，肉眼难以确认哪个数字，而直读表可以将其准确读出；（4）读数始终与机械字轮上显示的数字一致，即克服了干簧管脉冲水表容易造成的采集数据与表针数据不一致的缼陷。

3 采集器

采集器是实现多个水表与集中器数据传输的中间设备，它由MSP430系列单片机控制器、M-Bus总线电路、RS485总线电路、RF无线数传模块、ZigBee无线收发模块电路组成。

采集器与水表采用M-Bus总路线电路连接。M-Bus总线是由两条无极性传输线来同时供电和传输串行数据，可以并联和星形连接，因此布线和连接结构简单，施工方便。

M-Bus总线电路的供电电源为±24V，发送端利用传输的数字信号控制导线内的电流变化，接收端通过检测导线内的电流变化还原成数字脉冲电压信号。M-Bus总路线电路传输信号的脉冲幅度高，电流大，具有很高的抗干扰能力，所以在一般的民宅楼宇内连线不用采用屏蔽电缆和特殊导线，只用普通导线即可。但在工厂强电磁干扰区内，建议使用屏蔽电缆。

M-Bus总线上的每台水表都有一个唯一的地址识别码，采集器通过每台水表的地址码来识别读取各个水表的数据。由于M-Bus总线信号电压电流幅度较大，而且是半双工串行数据传输，因而传输的速度较慢，由于每台水表传输的数据量很少，花费的时间不多，所以采用M-Bus总线，即安全可靠，又降低了成本。

设计一条M-Bus总线上最多能连接50个终端，也就是说一台采集器所能连接的直读表数为≤50个，为了能连接更多的直读水表，就需要使用多个采集器连接水表。所有采集器上的RS485总线接口是并联在一起的，每个采集器都有自己唯一的地址，对于主从式通信系统，无论是M-Bus总线，还是RS485总线，它们都是一种半双工通信总线，因从机之间不能直接交换信息，所以当水表总数大于50个数量时，相应的接入集中器管理所有楼宇内的采集器，以便能够管理所有的水表。

4 集中器

集中器是实现多个采集器与中央管理控制中心数据交换的中间设备，它由ARM控制器、RS485总线电路、GPRS模块、以太网接口电路组成。

集中器管理各采集器并将其数据读取到自己的数据管理系统中储存，以供中央管理控制中心随时读取。采用集中器可以使得各采集器并行工作，提高了水表数据的采集速度。集中器与采集器之间采用RS485总线连接，与中央管理控制中心之间采用GPRS无线网转送以太网的方式，这样只要GPRS能覆盖的地区，集中器随时都可将已存储的数据上传到中央管理控制中心。

集中器上的DTU（Data Terminal unit）数据传输单元，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据的无线终端设备。GPRS DTU就是用GPRS网络来传输数据的设备，它采用工业级嵌入式处理器，内嵌TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络

集中器通过DUT建立可靠的通讯通道，处理和交换中央控制器与水表单元间的数据信息。可根据需求配置为每月的每天、某一或两天的某一时间定时自动抄表，也可令区域集中器操作采集器和水表单元，提取某水表单元的最新数据。这一套完整系统的建立可在最大程度上简化操作过程，实现真正意义上的足不出户、智能抄表。endprint

5 无线抄表车

对于GPRS覆盖不到和老建筑不方便施工改造的区域，可使用流动的无线电台车抄系统，实现城市全区域的覆盖。

无线电台车抄系统就是在汽车上，安装了配有笔记本电脑或集中器，加上RF无线收发模块和GPS定位系统。当汽车GPS定位到达目标区域时，车载笔记本电脑或集中器自动通过连接的RF无线模块向采集器上的无线收发模块发出采集命令，进行数据采集。若将所有采集器的数据采用Zigbee的方式组网，与笔记本电脑或集中器之间进行无线传送，覆盖的范围会更大，效率提高地会更显著。

6 自来水公司中央管理控制中心

自来水公司中央管理控制中心是城市供水服务平台，是整个城市用水的调控中心，由于它配备了全城市区域的水表数据采集集系统，所以就能够及时准确掌握全市、各区域和各点的用水情况。可在线进行供水管网压力监测及供水能耗分析，合理的进行水资源的调配。

利用采集的数据可计算出总表的水量、分量水表的总和，系统会自动对用水输差进行计算，监测水表故障和发现管网泄露现象，并主动报警。自动远程监测和分析用水情况，及时发现用户泄漏水情况，从多方面降低水司损失。对于现场水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根据采集数据快速生成各种实时报表，及时汇总、分析，制定解决问题的策略方案。它也可以远程管理城市内的每一块水表，包括水表信息、水表状态、水表指针等。

在现有的网络技术平台上，面向广大的供水企业和用户，提供城域化远程抄表、水务遥测及日常营业管理服务，到那时，可以足不出户，在家中就可以通过互联网检测到自家的水表信息，水费计量金额。

7 结语

该系统充分利用了现有的科学技术和先进的产品，经济可靠的组成了城市自来水水表数据采集系统，经实际应用检验，运行准确可靠，便于推广应用。

参考文献

[1] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单位片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.11：113-130.

[2] 肖广兵，万茂松，羊玢.ARM嵌入式开发实例[M].基于STM32的系统设计，北京：电子工业出版社，2013：28-35

[3] 金纯，罗祖秋，罗凤，等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北就：国防工业出版社，2008：13-22.endprint

5 无线抄表车

对于GPRS覆盖不到和老建筑不方便施工改造的区域，可使用流动的无线电台车抄系统，实现城市全区域的覆盖。

无线电台车抄系统就是在汽车上，安装了配有笔记本电脑或集中器，加上RF无线收发模块和GPS定位系统。当汽车GPS定位到达目标区域时，车载笔记本电脑或集中器自动通过连接的RF无线模块向采集器上的无线收发模块发出采集命令，进行数据采集。若将所有采集器的数据采用Zigbee的方式组网，与笔记本电脑或集中器之间进行无线传送，覆盖的范围会更大，效率提高地会更显著。

6 自来水公司中央管理控制中心

自来水公司中央管理控制中心是城市供水服务平台，是整个城市用水的调控中心，由于它配备了全城市区域的水表数据采集集系统，所以就能够及时准确掌握全市、各区域和各点的用水情况。可在线进行供水管网压力监测及供水能耗分析，合理的进行水资源的调配。

利用采集的数据可计算出总表的水量、分量水表的总和，系统会自动对用水输差进行计算，监测水表故障和发现管网泄露现象，并主动报警。自动远程监测和分析用水情况，及时发现用户泄漏水情况，从多方面降低水司损失。对于现场水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根据采集数据快速生成各种实时报表，及时汇总、分析，制定解决问题的策略方案。它也可以远程管理城市内的每一块水表，包括水表信息、水表状态、水表指针等。

在现有的网络技术平台上，面向广大的供水企业和用户，提供城域化远程抄表、水务遥测及日常营业管理服务，到那时，可以足不出户，在家中就可以通过互联网检测到自家的水表信息，水费计量金额。

7 结语

该系统充分利用了现有的科学技术和先进的产品，经济可靠的组成了城市自来水水表数据采集系统，经实际应用检验，运行准确可靠，便于推广应用。

参考文献

[1] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单位片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.11：113-130.

[2] 肖广兵，万茂松，羊玢.ARM嵌入式开发实例[M].基于STM32的系统设计，北京：电子工业出版社，2013：28-35

[3] 金纯，罗祖秋，罗凤，等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北就：国防工业出版社，2008：13-22.endprint

5 无线抄表车

对于GPRS覆盖不到和老建筑不方便施工改造的区域，可使用流动的无线电台车抄系统，实现城市全区域的覆盖。

无线电台车抄系统就是在汽车上，安装了配有笔记本电脑或集中器，加上RF无线收发模块和GPS定位系统。当汽车GPS定位到达目标区域时，车载笔记本电脑或集中器自动通过连接的RF无线模块向采集器上的无线收发模块发出采集命令，进行数据采集。若将所有采集器的数据采用Zigbee的方式组网，与笔记本电脑或集中器之间进行无线传送，覆盖的范围会更大，效率提高地会更显著。

6 自来水公司中央管理控制中心

自来水公司中央管理控制中心是城市供水服务平台，是整个城市用水的调控中心，由于它配备了全城市区域的水表数据采集集系统，所以就能够及时准确掌握全市、各区域和各点的用水情况。可在线进行供水管网压力监测及供水能耗分析，合理的进行水资源的调配。

利用采集的数据可计算出总表的水量、分量水表的总和，系统会自动对用水输差进行计算，监测水表故障和发现管网泄露现象，并主动报警。自动远程监测和分析用水情况，及时发现用户泄漏水情况，从多方面降低水司损失。对于现场水表的漏水、偷水、停表等故障一目了然

另一方面，可以根据采集数据快速生成各种实时报表，及时汇总、分析，制定解决问题的策略方案。它也可以远程管理城市内的每一块水表，包括水表信息、水表状态、水表指针等。

在现有的网络技术平台上，面向广大的供水企业和用户，提供城域化远程抄表、水务遥测及日常营业管理服务，到那时，可以足不出户，在家中就可以通过互联网检测到自家的水表信息，水费计量金额。

7 结语

该系统充分利用了现有的科学技术和先进的产品，经济可靠的组成了城市自来水水表数据采集系统，经实际应用检验，运行准确可靠，便于推广应用。

参考文献

[1] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单位片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.11：113-130.

[2] 肖广兵，万茂松，羊玢.ARM嵌入式开发实例[M].基于STM32的系统设计，北京：电子工业出版社，2013：28-35

[3] 金纯，罗祖秋，罗凤，等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北就：国防工业出版社，2008：13-22.endprint