低功耗无线远传水表在自来水管理中的应用

低功耗无线远传水表在自来水管理中的应用

陈正峰

淮安自来水有限公司江苏淮安223001

摘要：一直以来，水务公司对水表用户抄表都是采用传统的人工抄表的方式，这种抄表方式人为误差严重，漏抄，估抄，冒抄现象时有发生，不仅费时费力，而且不能及时准确更新用户的用水情况。为解决人工抄表困难和及时掌握用水信息等类似问题，近年来出现了多种智能远传水表，大体上分为脉冲式与直读式。本文介绍了低功耗无线远传水表及其监控平台在自来水用水情况远程监管中所起的作用，汇总了该远传水表在实际开发应用中的功能改善，展望了远传水表的发展前景和发展趋势。

关键词：低功耗；无线远传水表；自来水管理；应用

1、前言

水表的分类主要包括机械水表和智能水表。智能水表又包括IC卡水表和远传水表等。本文所介绍的低功耗无线远传水表（下文简称远传水表）就是一款在机械水表基础上利用遥测遥感技术开发设计的远传水表。它除了具有水表计量的基本功能外，还赋予了水表诸如压力监测、数据传输、智能报警等特殊功能，使得该款水表不仅是一种计量设备，更是一种监测设备，为给水企业动态掌握用户自来水的使用情况，提高服务和管理水平提供了大量现场参考信息。

2、远传水表管理中的应用

（1）实时抄表，随时了解水表水量情况，每月水表抄录及时，便于结算

（2）控制人工成本，未来人工比机器贵

（3）及时发现水表表芯卡死、倒装、水表被私自拆卸等问题，及时处理

（4）出现水费纠纷时有据可依

（5）纠正大口径水表中水表口径与流量不匹配的问题

（6）通过分区计量，通过观察关键节点大口径水表夜间最小流量和压力变化，比对考核表和结算表等多种手段找出漏损，降低产销差率，提高经济效益

（7）无线表比总线表的优势在于安装不用敷设线路，节约成本，降低故障和换表维护方便，现场不用接线

3、远传水表功能和在实际应用中的改进

3.1远传水表的主要功能汇总

①电池供电：无需外部电源。

②流量采集功能：脉冲计数式流量采集。

③压力采集功能：采用低功耗压力变送器采集管道内自来水的压力信号。

④远程参数修改功能：远传水表的部分参数可以通过GPRS进行远程设置。包括表底数、数据记录频度、传送周期、报警上下限等需要经常修改和设定的参数。该功能方便了给水企业对现场水表的管理，但远程修改功能只对拥有特定修改权限的管理人员开发。

⑤LED显示功能：为了便于现场数据的查看和修改，远传水表安装了LED液晶显示屏。

⑥多种报警功能：

●水表拆卸报警：利用水银开关，当水表倾斜角度超过30°以上时就自动产生限位报警，采用逢变则报的报警机制，及时通知监测中心。

●倒流报警：利用多路霍尔元器件的夹角变化规律，判断水流方向。当采集到倒流数据时，系统立刻自动记录下倒流的时间和实际倒流的累积流量并上传报警信息。

●电池欠电量报警：系统内部自带电池电量监测功能，当电量低于门限值时，自动触发报警。

●强磁报警：当强磁物质靠近水表后，霍尔元器件将无法产生正常脉宽的脉冲信号，系统立刻可以判断出强磁情况，并上报报警信息。

●湿度报警：由于部分水表的现场使用环境比较潮湿，为了更好的保护模块，水表在设计中增加了温度和湿度传感器，在设备损坏前及时报警，做好预防工作。

⑦多种天线连接方式：内置天线、外置天线。

⑧信号补招功能：当数据传输失败时，可以通过信号补招的方式将存放在远传水表FLASH中的数据包补发到监控中心。

3.2存在问题

远传水表一般采用出户集中抄表，分体式设计，适合水表集中的居民楼使用。而本文中的远传水表的使用对象目前是用水大户（行业中称“大用户”），在实际使用中发现出户集中抄表系统并不适用于大用户，存在的具体问题如下：大用户水表的间距较远，无法共用一个数据传输单元，成本较高。水表现场供电困难。水表安装环境恶劣，且无人监管。

改进设计后的远传水表虽然解决了上述问题，但却带来了新的问题：使用电池供电，电池的使用寿命和供电能力必须足够保证在水表的校验周期（2年）内有效，否则就会增加因为频繁更换电池而带来的额外工作量。采用一体化设计后，远传水表大多安装在窨井下，必须保证可靠防水和保证信号传输有足够的强度。

3.3在实际开发中的功能改善

针对以上问题，在设计上又作了进一步的改进，具体内容如下：

3.3.1多渠道降低设备功耗

①流量的计量传输采用霍尔开关，曾考虑使用利用数码盘“孔位”编码或类似条形码编码原理的“带”式编码，通过光电器件直接取得水表计量示数或利用数码摄像技术，直接摄取水表计量示数的“直读”式流量计量，但由于大用户的水表安装位置都在地下，采光很差，根本无法获得清晰的图像，而且图像传输的数据量较大，会提高运营的成本，所以最后还是改用霍尔元器件作为流量计量传输器件。霍尔开关是一种利用霍尔效应的磁感应式电子开关，属于有源磁电转换器件。它具有无接触、无触点、低功耗、长寿命、高，耐用、响应频率高等特点。

②压力变送器采用低功耗变送器远传水表上使用的是0~10uA的低功耗变送器，在智能远传单元内部再将接收到的信号升压到4~20mA，完成正常的数据采集功能。为了节省电源供电，还采取了“不采集、不发送就不供电”的供电机制。

③远传水表的显示屏采用可休眠的LED显示由于现场远传水表大多安装在窨井盖下，采光差，所以增加了LED显示功能，为了节能，远传水表采用显示屏长期休眠、短期唤醒的工作机制。显示屏在关闭待机的模式下，电流<20uA，它可由磁棒点击恢复显示。

3.3.2电池供电

采用2节锂离子电池供电，电池标称电压3.6V。经过计算和实践证明，标配电池的远传水表，数据上报次数大于1.2万次。按照10分钟采样一次数据、每8小时传输一次数据的工作频率，电池正常工作寿命可达2年以上。（补充说明：目前远传水表通讯采用3g、4g蜂窝信号）

3.3.3提高防水等级

所有的设备外壳和链接件的防护等级均为IP68，电池组外部增加了PVC防护壳，内部增加了微型的温度和湿度传感器。当设备内部湿度过高时，自动触发报警信号，通知管理人员。

3.3.4改进数据采集方式

远传水表默认的数据采样周期是10分钟，间隔8小时发送一次数据。在实际使用中发现，24：00至次日6：00时间段内实际数据变化量不大，9：00至21：00数据变化量较大。为了在相同的数据采集次数和能耗情况下，采集的数据更加准确和可靠，增加了可根据时间段调整数据采样间隔周期的功能。

4、应用效果及未来展望

4.1远传水表实际使用情况

远传水表目前在全国各家都在用，上海、南京、扬州很多自来水公司用了十多年的远传水表。通过对远传水表的使用，不仅实现了对大用户用水量的实时监测，为自来水公司提供了大用户用水情况的在线分析，使得水费的计量更加直观和详尽，而且大用户水表的工作情况也得到了有效监管，水表被人为破坏和丢失的情况明显减少。系统运行中，也曾出现过水表漏水、补发数据太多而出现的数据排序错位等问题。经过用户、设计方、开发方多方协作和努力，这些问题均得到了有效地控制和解决。

4.2远传水表未来发展趋势的探讨

随着物联网时代的到来，网络、通讯技术的日新月异，数据传输成本的日益降低，远传水表的优势也越来越明显。未来的远传水表将不仅仅在自来水生产、管理单位中发挥作用，它还将在智能家居等应用领域发挥作用。

参考文献：

[1]张明达，黄建明.基于Si4432的无线远传智能阶梯计费水表设计[J].电子测量技术，2017，40（8）：235-239.

[2]王瑞，李跃忠.基于SX1278的水表端无线抄表控制器[J].电子质量，2015（12）：67-68.