蘇州自來水表業(yè)有限公司 姚福江
近年來，隨著各地自來水公司實行抄表到戶的“一戶一表”改造以及新建住宅的智能化要求，智能水表有了長足的發(fā)展。從早期的分線制脈沖表發(fā)展到目前的總線制直讀表，包括后臺管理軟件，越來越貼近用水管理部門的需求。采用智能水表，配合相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和后臺管理軟件，用水管理部門就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄收水表讀數(shù)甚至遠(yuǎn)程控制閥門，這樣一方面可以滿足自來水公司實時查看各個用戶的用水情況、排查并跟蹤異常用戶、控制惡意用水，另一方面，采用計算機管理，大大提高了工作效率，也消除了“人情水”等人為因素給自來水公司帶來的損失；在未來的階梯水價、節(jié)約用水方面效果尤其明顯。本文著重探討智能水表的發(fā)展和遠(yuǎn)程水表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的改進(jìn)方法。
一、目前國內(nèi)智能水表的現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)習(xí)慣上把電子式水表統(tǒng)稱為智能水表。而智能水表應(yīng)該是具有獨立的數(shù)據(jù)采集、處理以及通訊電路的電子式水表。早期的電子遠(yuǎn)傳式水表是配合集中采集系統(tǒng)而組成的智能水表系統(tǒng)，其水表一般采用脈沖式發(fā)訊方式，結(jié)構(gòu)簡單，從普通的機械式水表改裝成電子式發(fā)訊表比較容易實現(xiàn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，目前在市場上仍然有較大規(guī)模的應(yīng)用；同時市場上也出現(xiàn)一種直讀式電子水表，將水表的機械位置信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過相應(yīng)的電路讀取水表機械齒輪的位置信號。與脈沖式發(fā)訊水表相比，直讀水表不存在干擾，能準(zhǔn)確讀取水表讀數(shù)，無累計誤差，平時不需要電源，這樣就避免了由于計量誤差帶來的用水糾紛，同時，水表平時工作不需要電源，打破了用電瓶頸，降低了系統(tǒng)的維護(hù)費用，也使施工變得更加簡單。能滿足市場上對電子水表的技術(shù)要求。總體來看，目前市場上智能水表主要存在分線制電子遠(yuǎn)傳水表（主要指普通發(fā)訊水表）、卡式水表（包括接觸式和非接觸式IC卡水表、ID卡水表）、總線制水表（包括脈沖式和直讀式水表）和無線遠(yuǎn)傳式水表。
二、智能水表的分類
1、脈沖式發(fā)訊水表
脈沖式發(fā)訊水表是水表本身沒有電子存儲單元，水表輸出脈沖信號，大部分是機械水表上簡單改裝而成，制作工藝簡單，無需對原來的水表做大的改動，電路簡單，幾乎和所有抄表廠家的采集終端都能接口，所以在推出之初受到各個水表廠家的青睞。采用脈沖式發(fā)訊表形成的智能水表主要有以下幾種方式：
1.1分線制水表系統(tǒng) 分線制水表系統(tǒng)采用的分叉型布線方式，每只水表的信號采集線單獨接到采集器，采集器集中采集每只水表的讀數(shù)。
1.2 總線制水表系統(tǒng) 總線制水表系統(tǒng)是將水表數(shù)據(jù)采集單元配置在水表內(nèi)部，水表再通過數(shù)字傳輸信號和外界相連，所有的水表可以接在一組通訊總線上。
1.3卡式水表 目前大部分卡式水表采用脈沖式發(fā)訊水表作為基表，水表內(nèi)部安裝信號采集電路、通訊電路、閥門控制電路，采集并記錄發(fā)訊水表的脈沖數(shù)，以IC卡或ID卡作為媒質(zhì)和后臺計算機通訊，施工布線簡單。抄收數(shù)據(jù)和收費功能往往采取的是預(yù)售的方式。
1.4 無線遠(yuǎn)傳式水表 無線遠(yuǎn)傳式水表采用的計數(shù)方式基本上和卡式水表一樣，都是利用內(nèi)部信號采集電路將水表的脈沖信號累計進(jìn)行計數(shù)。再通過無線的方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到集中采集器。
2、直讀式智能水表
直讀式水表就是水表系統(tǒng)在抄讀水表時，水表內(nèi)部電路將水表的讀數(shù)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，讀取的數(shù)值是水表字輪的位置讀數(shù)，達(dá)到直讀的效果，水表計數(shù)不依靠累計，不存在累計誤差，水表倒轉(zhuǎn)不影響水表的讀數(shù)，讀數(shù)值始終與水表基表保持一致，不讀表時不需要電源支持，幾乎不受外界干擾的影響。其主要方式有以下兩種：
2.1 接觸式直讀水表 接觸式直讀水表就是通過接觸的方式將水表讀數(shù)的機械位置轉(zhuǎn)換為電子編碼，水表內(nèi)部電路通過對電子編碼的處理，達(dá)到讀取水表讀數(shù)的目的。該直讀方式電子部分參與水表的計量，水表讀數(shù)在臨界位時非常方便處理，完全能夠解決臨界位進(jìn)位的數(shù)據(jù)處理，該方式電子部分功耗低，適合水表工作環(huán)境，便于遠(yuǎn)程集中抄收，無需外部強電源的支持。
2.2 非接觸式直讀水表 非接觸式直讀水表就是利用光電管的發(fā)射和接收，采用直射式或反射式的方式將水表讀數(shù)的位置信號轉(zhuǎn)化為光電信號，水表內(nèi)部電路通過對光電信號的處理達(dá)到水表讀數(shù)的目的。該方式采用了光電方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，信號部分并不完全參與水表計量，對水表的流量影響相對較小，同時對水表的制作工藝要求嚴(yán)格，特別是水表的臨界位處理并未完全消除誤判。采用光電管，水表電源部分功耗較大，往往需要外部強電源的支持。
三、智能水表未來的發(fā)展方向
在智能水表的發(fā)展過程中，由于脈沖式發(fā)訊水表系統(tǒng)不能有效的消除水表信號傳輸過程中的干擾、水表計數(shù)時必須依靠外部電源支持等原因，其發(fā)展受到了一定的限制。直讀式水表讀取的數(shù)值是水表字輪的位置讀數(shù)，水表計數(shù)不依靠累計，不存在累計誤差，水表倒轉(zhuǎn)不影響水表的讀數(shù)，讀數(shù)值始終與水表基表保持一致，不讀表時不需要電源支持，幾乎不受外界干擾的影響。其優(yōu)越性明顯高于脈沖式水表，直讀水表模式不僅僅適用于卡式、無線式，更適用于遠(yuǎn)傳式，尤其式總線制遠(yuǎn)傳式方式?？偩€制直讀遠(yuǎn)傳方式可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時抄讀水表的讀數(shù)，又可以解決脈沖表中由于水錘現(xiàn)象、干擾等原因造成的誤信號，還可以解決由于水表倒轉(zhuǎn)引起的讀數(shù)誤差。用直讀方式代替脈沖計數(shù)的方式是今后智能水表發(fā)展的一個方向，由于脈沖式水表起步比較早，實際的使用數(shù)量比較多，在今后比較長的一段時間內(nèi)，可能存在直讀式智能水表和脈沖式智能水表并存現(xiàn)象，隨著時間推移，系統(tǒng)的升級換代將會由直讀式智能水表替換脈沖式遠(yuǎn)傳水表。
未來智能水表的發(fā)展，一方面要求水表讀數(shù)必須保證準(zhǔn)確可靠、智能水表系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定、系統(tǒng)（包括計算機后臺系統(tǒng)）維護(hù)方便、系統(tǒng)施工簡單；另一方面也要求系統(tǒng)安全可靠（對外界無安全隱患）、系統(tǒng)升級換代簡單易行（如不依賴外部強電源支持等）。總線制直讀水表將水表數(shù)據(jù)采集單元配置在水表內(nèi)部，水表再通過數(shù)字傳輸信號和外界相連，所有的水表可以接在一組通訊總線上形成的總線制水表系統(tǒng)，其采集部分和水表發(fā)訊部分距離非常進(jìn)（同在水表內(nèi)部），首先消除了數(shù)據(jù)采集傳輸線路上的干擾，大大提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性；水表和外界連接的是數(shù)據(jù)通訊信號，一方面提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，另一方面延長了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。作為智能水表的一種，更適合遠(yuǎn)程控制操作，其讀數(shù)準(zhǔn)確，施工簡單，系統(tǒng)安全（平時不需電源），維護(hù)簡單，可作為未來水表的一個發(fā)展方向。直讀水表的推廣使用，大大方便了用水管理部門。由其擴(kuò)展的帶閥門控制的直讀水表，不僅具備直讀水表的所有功能，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程對水表的閥門進(jìn)行開關(guān)和維護(hù)，在未來的階梯水費實現(xiàn)、節(jié)約用水方面都有明顯的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。
四、有線方式智能水表系統(tǒng)注意問題及改進(jìn)措施
4.1智能水表的總線形式 有線方式的智能水表主要有M-BUS總線方式、RS485總線方式和電力載波總線方式。
4.1.1 M-BUS是一種低成本的一點對多點的總線通訊系統(tǒng)，具有通訊設(shè)備容量大（500點），通訊速率高（最高9600bps），設(shè)計簡單，布線簡便（無極性可任意分支，普通雙絞線），抗干擾能力強的特點。只需兩根線即可組成水表網(wǎng)絡(luò)。缺點是功耗較大，芯片的工作電壓較高，需要有外部強電源的支持。
4.1.2 RS-485是一種基于差分信號傳送的串行通信鏈路層協(xié)議。它是工業(yè)上廣泛采用的較長距離數(shù)據(jù)通信鏈路層協(xié)議。RS-485總線性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)容易，廣泛用于各種工業(yè)儀表和現(xiàn)場總線上。缺點是組網(wǎng)時匹配電阻比較難選擇。
4.1.3 電力線載波總線方式是指將電力線作為通信媒介的一種通信方式。利用電力線作為通信介質(zhì)的電力載波通信，避免了新的通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和投資。在住宅智能控制、布線困難的工業(yè)自動化控制等系統(tǒng)中，采用低壓電力線通信方案有著極為顯著的優(yōu)越性，具有極大的方便性、免維護(hù)性、即插即用等優(yōu)點。缺點是線路阻抗小、信號衰減大、時變性大、噪聲影響大。
4.2 采用485總線方式的智能水表應(yīng)注意的問題
遠(yuǎn)傳式水表中，RS485總線方式由于技術(shù)比較成熟、應(yīng)用范圍廣、價格相對低廉得到普遍應(yīng)用。在RS485網(wǎng)絡(luò)布線要求上，各個廠家按照傳統(tǒng)的485網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點的要求指導(dǎo)施工：要求采用5類網(wǎng)線或超5類網(wǎng)線作為485通信線；采用120歐姆的匹配電阻；采用手拉手結(jié)構(gòu)樹型結(jié)構(gòu)而不能采用星形結(jié)構(gòu)；485的網(wǎng)絡(luò)線不能和電源線一起等。485總線作為工業(yè)儀表使用有著較長的發(fā)展歷史，當(dāng)作為水表網(wǎng)絡(luò)使用只是最近幾年才有了廣泛的應(yīng)用，作為工業(yè)儀表使用，傳統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范可能比較容易實現(xiàn)，但作為水表網(wǎng)絡(luò)，由于水表的安裝位置基本上分散的，如果完全按照傳統(tǒng)的485技術(shù)規(guī)范來作，在保證485有效通訊距離1200m內(nèi)，可能在一個600戶的小區(qū)里就要組建至少3到4個網(wǎng)絡(luò)，同時，電源線和網(wǎng)絡(luò)線不在一起，一方面增加了施工的工作量和維護(hù)的難度，另一方面也大大增加了產(chǎn)品的成本。如何組建安全可靠的485水表網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合本公司的實際工程，提出以下改進(jìn)：
4.2.1 推薦用的屏蔽雙絞線的型號為4*0.5（四芯屏蔽線，每芯由16股的0.2mm的銅或鍍錫銅導(dǎo)線組成，其中兩根485信號線采用雙絞，另外兩根作為電源線無需雙絞）。采用屏蔽雙絞線有助于減少和消除兩根485通信線之間產(chǎn)生的分布電容以及來自于通訊線周圍產(chǎn)生的共模干擾。普通網(wǎng)線沒有屏蔽層，不能防止共模干擾， 網(wǎng)線只有0.2mm平方，線徑太細(xì)，會導(dǎo)致傳輸距離降低和可掛接的設(shè)備減少。
4.2.2 可以采用星型接法，但在抄表點處星型分叉不易太多。
4.2.3 任何時候都要接終端匹配電阻，匹配電阻值往往不是傳統(tǒng)上的120歐姆。采用5類雙絞線時，要求匹配的終端電阻是120歐姆，但4*0.5的線纜后，電纜的特性阻抗比120歐姆小的多，匹配值一般在30歐姆～50歐姆。
4.2.4 沒有可靠接地點時，系統(tǒng)建議和大地保持絕緣狀態(tài)。
4.2.5 通訊電路和通訊芯片都必須采取可靠的防靜電措施，否則雷擊浪涌使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
水表作為一種計量工具，智能化抄表只能作為水表的一個輔助功能，無論那種抄表模式，都不可以影響水表本身的計量功能，總體來說，水表系統(tǒng)是否是一種優(yōu)秀的產(chǎn)品取決于抄表功能簡單、實用，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠，而不是系統(tǒng)的讀表方式和抄表模式。
參考文獻(xiàn)
1、何立民. 單片機應(yīng)用技術(shù)選編. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社
2、陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社
