The Technique Actuality and Development Tendency of Automatic Metering Reading
for Water Meter
寧波水表股份有限公司 姚靈
(Ningbo Water Meter Co.,Ltd Yaoling)
摘要： 本文對(duì)我國(guó)水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)作了評(píng)述與討論。提出了傳感技術(shù)、傳輸與組網(wǎng)技術(shù)、微功耗設(shè)計(jì)及電源技術(shù)、水表基表技術(shù)等領(lǐng)域?qū)⑹撬碜詣?dòng)抄表系統(tǒng)今后一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展重點(diǎn)。
Abtract: This paper discuses the technique actuality and development tendency about AMR for water meter in our country, and advances that the transducer technique, signal transmission and network technique, tiny electric power consume design and power supply technique, water meter technique etc. will be the development main points of AMR for water meter from now on .
關(guān)鍵詞：水表 水表自動(dòng)抄表系統(tǒng) 技術(shù)現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)
Keyword: Water meter Automatic metering reading for water meter Technique actuality
Development tendency
一．概述
淡水作為一種緊缺資源，正在受到人們的日益關(guān)注和重視。水表產(chǎn)品在住宅、商用和工農(nóng)業(yè)用水計(jì)量方面的重要作用也已得到社會(huì)各界的普遍認(rèn)同。除計(jì)量功能外，將水表讀數(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確記錄下來(lái)進(jìn)行有效傳送、處理和結(jié)算，同樣至關(guān)重要。
經(jīng)過(guò)水表行業(yè)有識(shí)之士十幾年來(lái)的研究、改進(jìn)和發(fā)展，已為我國(guó)供水行業(yè)開發(fā)了一批具有較好使用價(jià)值、能基本滿足要求的水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)產(chǎn)品，并在多年實(shí)踐中積累了許多有益經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為不斷開發(fā)性能更完善、功能更強(qiáng)大、可靠性更高、使用壽命更長(zhǎng)、價(jià)格更趨合理的新穎水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)產(chǎn)品打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)是一門綜合性技術(shù)，包含了信號(hào)傳感、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理等內(nèi)容；涉及到水表基表技術(shù)、傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電源技術(shù)等領(lǐng)域。
二．技術(shù)現(xiàn)狀
GB/T 778.1～3-2007標(biāo)準(zhǔn)將水表在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上分成“機(jī)械水表”、“帶電子裝置水表”和“電子水表”三大類。帶電子裝置水表是以速度式或容積式機(jī)械水表為基表，增加電子部件，使其具有流量測(cè)量參數(shù)（如葉輪轉(zhuǎn)速）的傳感采集、運(yùn)算處理以及數(shù)據(jù)交換等功能，以滿足用水量的自動(dòng)抄讀和水費(fèi)收繳管理等需要。
水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)由軟、硬件兩部分組成。硬件部分主要有：帶電子裝置水表、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)集抄裝置以及終端設(shè)備等，軟件部分主要有：嵌入式數(shù)據(jù)處理軟件、網(wǎng)絡(luò)管理軟件、數(shù)據(jù)傳輸及收費(fèi)管理軟件等。
1.采用的主要技術(shù)
我國(guó)水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展、提高和改進(jìn)，已初步形成了比較完整的產(chǎn)品技術(shù)體系。特別是在流量測(cè)量信號(hào)的傳感采集，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩咝В约爱a(chǎn)品的可靠性、壽命、性價(jià)比等方面均已取得長(zhǎng)足進(jìn)步。目前采用的主要技術(shù)及特征：
（1）信號(hào)傳感與采集技術(shù)
分線制脈沖傳感采集方式
通過(guò)水表葉輪或計(jì)數(shù)指針發(fā)訊，輸出與水流量成比例的脈沖信號(hào)；每個(gè)水表均需獨(dú)立設(shè)置外部專線，經(jīng)戶外采集器對(duì)脈沖累加后求得實(shí)際用水量；鋪線工程量大，脈沖易受內(nèi)部和外界干擾影響；線路故障或斷電可使信號(hào)中斷，數(shù)據(jù)恢復(fù)困難；使用可靠性低，安裝維護(hù)成本高；水表機(jī)械讀數(shù)與遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)很難完全一致。
總線制脈沖傳感采集方式
通過(guò)水表葉輪或計(jì)數(shù)指針發(fā)訊，輸出與水流量成比例的脈沖信號(hào)；表內(nèi)設(shè)有計(jì)算機(jī)芯片和電池（也可用總線供電方式），內(nèi)部累加并存儲(chǔ)脈沖數(shù)和實(shí)際用水量；測(cè)量時(shí)水流體的振動(dòng)、沖擊等影響易使輸出脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)；水表機(jī)械讀數(shù)與遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)很難完全一致。
總線制直讀傳感采集方式
字輪編碼方式：通過(guò)對(duì)機(jī)械計(jì)數(shù)器字輪位置的絕對(duì)編碼，使字輪讀數(shù)與編碼輸出信號(hào)完全一致；表內(nèi)設(shè)有計(jì)算機(jī)芯片，但無(wú)須內(nèi)置電源；戶外采集器采集信號(hào)時(shí)向水表供電，讀出用水（編碼）數(shù)據(jù)；可靠性高，成本低，電磁兼容性強(qiáng)；編碼器生產(chǎn)工藝要求較高。
圖像傳感方式：通過(guò)表外圖像傳感器將機(jī)械字輪讀數(shù)拍攝下來(lái)，利用總線將圖像信號(hào)傳輸?shù)綉敉獠杉鳎凰韮?nèi)無(wú)電源，信號(hào)采集時(shí)向傳感器供電獲取讀數(shù)圖像；傳感器安裝方便；圖像數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)量大，對(duì)傳輸和系統(tǒng)要求較高；圖像轉(zhuǎn)換和識(shí)別軟件復(fù)雜。
（2）數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
有線數(shù)據(jù)傳輸與組網(wǎng)方式
以RS485或M-BUS總線組成的若干級(jí)有線自組網(wǎng)為內(nèi)網(wǎng)，以電話公用網(wǎng)（PSTN）或無(wú)線公用網(wǎng)（如：GSM、GPRS、CDMA等）、以及手抄器組成的有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸體系。區(qū)域內(nèi)以有線網(wǎng)為主，區(qū)域外以公用網(wǎng)作為信息傳輸通道。技術(shù)比較成熟；區(qū)域內(nèi)布線量大，安裝維護(hù)成本高。
以電力線作為信號(hào)傳輸載體的應(yīng)用探索也在進(jìn)行之中。
無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與組網(wǎng)方式
以短距、低功耗無(wú)線通信技術(shù)為主體構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸體系。區(qū)域內(nèi)參照無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的某些技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，區(qū)域外仍以公用網(wǎng)作為信息傳輸通道。區(qū)域內(nèi)不需布線，安裝維護(hù)方便，組網(wǎng)成本低；數(shù)據(jù)易受電磁干擾影響，表內(nèi)需自帶電源，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；商業(yè)應(yīng)用在技術(shù)上有待進(jìn)一步成熟。
（3）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)
數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議
數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議目前執(zhí)行建設(shè)部《戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》（CJ/T 188-2004）標(biāo)準(zhǔn)?！皞鬏敿夹g(shù)條件”規(guī)定了戶用儀表（包括水表等）集中抄表系統(tǒng)中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，對(duì)主站與從站之間的物理接口及其特性、信息交換幀的組成以及流量和差錯(cuò)控制等作出了具體規(guī)定。
數(shù)據(jù)傳輸安全管理
數(shù)據(jù)發(fā)送前要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，接收后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。采用電子密本（ECB）方式進(jìn)行加密運(yùn)算后發(fā)送數(shù)據(jù)，加密算法采用秘密密鑰的64bit分組的標(biāo)準(zhǔn)密碼算法。
（4）電源供電技術(shù)
表內(nèi)供電方式
以高能鋰電池供電為主。帶電控閥水表為可靠關(guān)閥，一般采用兩節(jié)鋰電池分“強(qiáng)”、“弱”回路供電；也有采用超級(jí)電容器平時(shí)充電，關(guān)閥時(shí)放電等方式。
外部供電方式
由外部集中器或采集器通過(guò)總線向水表供電。集中器或采集器一般采用大容量電池或經(jīng)交流電源變換成直流后獲取電能。
2．存在的主要問(wèn)題
帶電子裝置水表的性能是制約水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)計(jì)量特性及其可靠性提升的關(guān)鍵因素。這方面的突破有待于機(jī)械水表以及傳感技術(shù)的完善和創(chuàng)新。
短距無(wú)線通信技術(shù)也是目前的技術(shù)難點(diǎn)。它的出現(xiàn)既可解決有線網(wǎng)絡(luò)布線的不方便和不經(jīng)濟(jì)，但也帶來(lái)了信號(hào)傳輸?shù)牟豢煽亢碗姵厥褂脡勖葐?wèn)題。
供電問(wèn)題是帶電子裝置水表的最大瓶頸之一。它影響到水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)的普及應(yīng)用，也給產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多困難。
三．發(fā)展趨勢(shì)
經(jīng)過(guò)多年來(lái)的實(shí)踐，行業(yè)內(nèi)外對(duì)水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)正在逐步統(tǒng)一。雖然尚有某些分歧和不同意見(jiàn)存在，但對(duì)整體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看法還是比較一致，即：分線制向總線制發(fā)展，脈沖采集方式向字輪數(shù)據(jù)直接讀出方式發(fā)展，有線數(shù)據(jù)傳輸逐步向無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)展，以及表具與數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈⒐?、基表性能及可靠性的提升等等。技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：
（1） 傳感技術(shù)
通過(guò)測(cè)量計(jì)數(shù)器字輪位置，將字輪讀數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量編碼形式輸出。其中準(zhǔn)確的編碼方式和算法、可靠的絕對(duì)式編碼器、以及規(guī)范的生產(chǎn)裝配工藝則是保證信號(hào)傳感、采集有效與可靠的前提。
常用編碼方式有：二進(jìn)制碼、格雷碼、單道簡(jiǎn)碼等（目前國(guó)內(nèi)已有多種編碼技術(shù)被授于專利權(quán)）；編碼信號(hào)傳感方式有：直射式或反射式光電傳感方式、電渦流傳感方式、接觸式電位傳感方式等等；供電方式：基表內(nèi)無(wú)電池，信號(hào)采集時(shí)由總線瞬時(shí)供電。
通過(guò)圖像傳感方式獲取字輪編碼數(shù)據(jù)也是一種有發(fā)展前景的傳感技術(shù)。
（2）傳輸與組網(wǎng)技術(shù)
有線組網(wǎng)方式：采用M-BUS、RS485總線技術(shù)和數(shù)據(jù)通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩?。?shù)據(jù)的加、解密及抗干擾技術(shù)的用運(yùn)，是有線組網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵。
無(wú)線組網(wǎng)方式：在現(xiàn)有短距、低功耗、非標(biāo)準(zhǔn)的自組網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上向有標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、抗干擾和兼容性好、表具微功耗和組網(wǎng)成本低的方向發(fā)展。值得關(guān)注的短距、低速率、微功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有：紫蜂（Zigbee）、超低功耗藍(lán)牙(ULP)、Z-Wave等。它們具有水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)所希望的基本特性，如：超低功耗數(shù)據(jù)抄讀與傳輸、超低成本、具有無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、高安全性和可靠性、短距離和高容量通信、免執(zhí)照頻段、采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）提高信噪比等等。
（3） 微功耗設(shè)計(jì)及電源技術(shù)
大部分帶電子裝置水表（如：總線制脈沖采集水表、無(wú)線組網(wǎng)水表、卡式水表、熱量表等）工作時(shí)均需自備電池供電，為確保水表工作可靠常將電池設(shè)計(jì)成不可更換方式。采用微功耗電路設(shè)計(jì)及省電算法是延長(zhǎng)電池使用壽命的有效出路。
高容量電池（如新型鋰電池、燃料電池等）的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，必將為帶電子裝置水表提供使用壽命更長(zhǎng)、體積更小的電源；利用光能、水能、無(wú)線電能等的發(fā)電、儲(chǔ)電和供電技術(shù)也是今后解決水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)供電的重要研究方面。
（4）水表基表技術(shù)
水表的主要功能是對(duì)水流量的正確、可靠計(jì)量，因此提高水表基表的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是確保水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)有效工作的重要保證。應(yīng)在：流量測(cè)量范圍、小流量計(jì)量特性、計(jì)量準(zhǔn)確度、使用可靠性及壽命等方面進(jìn)行全面提升。中、小口徑電子水表（如：電磁水表、射流水表、超聲水表、渦街水表等）由于測(cè)量管內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、壓力損失小、測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高等特性，下一步作為水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)的基表有著良好的發(fā)展前景。
四．結(jié)語(yǔ)
水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)是近十幾年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，雖然經(jīng)過(guò)多方努力在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)層面上做了很多工作，并在各地住宅小區(qū)進(jìn)行了大量有益的實(shí)踐活動(dòng)，總結(jié)了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。但從總體上說(shuō)該項(xiàng)技術(shù)還處在發(fā)展和完善階段，有待于進(jìn)一步的創(chuàng)新與提高。
隨著水表基表技術(shù)、傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、電源技術(shù)的發(fā)展與成熟，以及水資源管理力度的加大和智能小區(qū)工程推進(jìn)速度的加快，作為用水計(jì)量器具和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳管理工具的水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)，必定有很廣闊的應(yīng)用前景和良好的發(fā)展空間。
主要參考文獻(xiàn)：
1. GB/T 778.1～3-2007《飲用冷水水表和熱水水表》.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2008.
2. CJ/T 188-2004《戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2004.
3. CJ/T 224-2006《電子遠(yuǎn)傳水表》.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2006.
4. JG/T 162-200X《住宅遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)》(征求意見(jiàn)稿).北京.2007.
5. 瞿雷、劉盛德等.Zigbee技術(shù)及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2007.
6. 姚靈.中國(guó)智能水表發(fā)展趨勢(shì)及自動(dòng)抄表系統(tǒng)實(shí)踐.中國(guó)水、電、氣·超越AMR國(guó)際研討會(huì).2007，（11）.
7. 姚靈.電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù)綜述.中國(guó)水表工作委員會(huì)智能水表論文專輯,2008.
8. 李志明.電子遠(yuǎn)傳水表及集中抄表系統(tǒng)的應(yīng)用探討.中國(guó)水表工作委員會(huì)智能水表論文專輯，2008.
