基于ZigBee的智能超声波水表远程抄表系统探讨

摘 要：文章介绍了ZigBee技术的特点和智能超声波水表的计量原理，并对ZigBee技术在智能超声波水表远程抄表系统的应用进行了探讨。该抄表方案借助ZigBee技术在无线通信方面的优势，具有组网迅速、网络容量大、传输可靠、数据安全、实时性强等特点，非常适合智能超声波水表无线组网。该抄表方案也可应用于电表和气表。

关键词：ZigBee 超声波水表 远程抄表 无线网络

中图分类号：TP84 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0004-03

随着科学技术的发展，智能超声波水表已经引起企业的关注，同时超声波水表的远程抄表的收费机制，也需要进行改善，并适应社会的发展需要。国家住建部《关于加快推进城镇居民生活用水阶梯水价改革的指导意见（征求意见稿）》明确规定：对城镇居民用户终端水价中的自来水价格实施阶梯水价，所有设市城市原则上要在2015年底前完成“一户一表”改造，并全面实施阶梯水价制度。各地在推进“一户一表”改造时，应积极推进智能水表。

新政策一旦正式推行，势必加速阶梯水价全面推行，而智能水表在计费方面相比机械水表的强大优势，决定智能水表在智慧水务和实施阶梯水价趋势中取代机械水表的必然性。智能水表可实现自动抄读和远程抄读，水表监控中心可随时读取智能水表数据，方便按月计费和提前扣费等，并实现阶梯计价调费，具有水质、水压、水温等监测功能。最新的ZigBee技术与最先进的超声波水表的结合，是抄表计费的发展趋势。

1 智能超声波水表的优势

FLUS小口径系列智能超声波水表是应用超声波检测技术进行水流量测量，并用于家用自来水消耗计量的一体式密闭水表，口径范围涵盖DN10、DN15、DN20、DN25、DN32和DN40。此系列水表采用超声波传输时间差法测量水流量，可保证计量的长期可靠性和精度。两个超声波换能器用于产生超声波信号，两束超声波信号分别沿着水流顺流和逆流方向传播，通过测量两束超声波信号传播时间差可得到水的流速，进而计算出水流量。

1.1 计量原理

超声波水表采用时间差法进行流量测量。基本计量原理如图1所示。

流体的流速计算公式如下：

式中：Vm流体在轴向线的平均流速；

tu：超声波在流体中逆流（由B到A）传播的时间；

td：超声波在流体中顺流（由A到B）传播的时间；

L：声道长度；

：声道角。

流体的流量按下述公式计算：

式中：Q：流体的流量；

K：速度分布系数；

S：管段内横截面面积。

对于大口径超声波水表，可采用多声道方式通过加权计算的方法来提高流量测量准确度。

1.2 超声波水表的特点

FLUS系列超声波水表严格遵循OIML R49指令进行设计并测试，保证了其具有高度的可靠性、耐久性及精度。根据超声波测量原理，水表无任何运动部件，保证在各种复杂条件下长效精确计量，极大延长了其使用寿命。此外，低始动流量（Q3=1.0 m3/h时仅为2 L/h）特性也保证了其在小水流条件下的计量精度，可进行滴水计量。

不受管路中杂质及空气影响，可满足恶劣水质要求。无直管段要求，可任意方位安装，IP68防护等级适于室外安装。可组件抄表系统进行实时数据通信，OMS规范通信协议，通信接口为红外光电和MBus，可选配wMbus和NFC，通过通信接口可实时读取水表数据，或修改水表运行参数。电池有效寿命高于16年。液晶显示累积体积、瞬时流量、各种工作状态及故障状态。水表内置的存储器可存储360d的用户数据，也可以存储过去24个月的月份计费数据。

2 ZigBee技术的应用

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低传输率、低成本、低复杂度的无线网络技术。它是一个由多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75 m，到扩展后的几百米，甚至几公里；整个ZigBee网络不仅可以“无限”扩展开来，而且还可以与现有其它的各种网络连接，例如，可以通过互联网在水表监控中心，监控某楼栋的ZigBee控制网络。

每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象，例如超声波水表连接，直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，同多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。ZigBee以一个独立工作节点为依托，通过无线通信组成星状、串（树）状、或网状网络，因此，每个节点的功能并非相同，其中RFD为半功能节点即传感器节点；FFD为全功能节点即网路协调器节点，负责与所控制的RFD节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用；各节点通过无线通信方式形成一个无线自组织网络系统。

ZigBee技术的主要优势：

（1）低功耗：两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

（2）可靠性：采用了碰撞避免机制；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

（3）低成本：ZigBee模块价格低廉，并且ZigBee免协议专利费。

（4）时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

（5）近距离：通信距离在几厘米到几百米，在增加发射功率后，可增加到1～3km。如果通过路由和节点间通信接力，可以传输更远的距离。endprint

（6）网络容量大：ZigBee可以采用星状、树状和串状结构组网，可支持65000个节点组网。

（7）安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。

（8）高密性：采用64位出厂编号并支持AES-128加密。

（9）全球免费频段：ZigBee技术以IEEE 802.15.4协议为基础，使用全球免费频段进行通讯，2.4G（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。

3 远程抄表系统解决方案

通过以上对智能超声波水表介绍和ZigBee技术的应用分析，可采用ZigBee技术实现智能水表的无线远程抄表。

在实际应用中可以选择将ZigBee技术与GPRS/CDMA结合的方式，也可以选择ZigBee技术与光纤通信结合的传输方式，把各个智能水表的实时数据传输到水表集抄管理监控中心。

该方案中采用MESH网状网络拓扑结构，每个单元楼栋可设置一个ZigBee远端节点，整个楼栋的智能超声波水表通过MBus总线连接到ZigBee远端节点，该节点主要负责数据的收发或作路由器用，负责把智能水表的数据上传给ZigBee中心节点，同时转发ZigBee中心节点发出来的指令，远端节点必须是全功能设备（FFD）。另外，一个小区中设置一个ZigBee中心节点，其与智能超声波水表的连接如图2所示。

ZigBee中心节点的功能是根据集抄管理控制中心服务器的命令，通过ZigBee远端节点，读取智能超声波水表的累积数据及其他参数，并通过GPRS/CDMA或光纤将数据上传给水表集抄管理控制中心，集抄管理控制中心的计费服务器主要是对抄上来的数据进行存储和分析，并实现阶梯计价调费、计费，并对各水表监测到的水质、水压、水温等进行监控，发现异常及时报警、处理。系统连接示意图如图3、图4所示。

系统中的网络主要由ZigBee无线自组织网络、MBus总线方式的有线网络、GPRS/CDMA或光纤通信的主干网络组成。为保证ZigBee网络的稳定和可靠性，所有ZigBee通信节点要保证能与附近相邻的多个ZigBee节点进行通信，当任意一个发生故障时，可跳过这一节点与下一个节点直接通信。整个系统ZigBee通信网络应该尽量布成一个网状，以保证每个节点都能与系统正常通信。从而保证整个集抄系统的正常运行。

4 结语

该文对ZigBee技术在智能超声波水表远程抄表系统中的应用进行了探讨，ZigBee技术具有协议简单、成本低、无需布线、组网迅速、网络容量大、传输可靠、数据安全、实时性强等特点，非常适合智能超声波水表无线组网。另外也可以考虑把ZigBee模块直接加入每个超声波水表中，组成一个无线自组织网络系统，这样成本需要加大。该抄表系统也可在电表和气表的远程抄表中进行应用。

参考文献

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[2] 李文仲，段朝玉，等.ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

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[4] 卓邦远，刘海波，胡学军.基于ZigBee技术矿井人员定位与瓦斯监控系统探讨[J].科技创新导报，2009（34）：75.endprint