The Technique Actuality and Development Tendency of Automatic Metering Reading
for Water Meter
宁波水表股份有限公司 姚灵
(Ningbo Water Meter Co.,Ltd Yaoling)
摘要： 本文对我国水表自动抄表系统的技术现状以及发展趋势作了评述与讨论。提出了传感技术、传输与组网技术、微功耗设计及电源技术、水表基表技术等领域将是水表自动抄表系统今后一段时间内的发展重点。
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 .
关键词：水表 水表自动抄表系统 技术现状 发展趋势
Keyword: Water meter Automatic metering reading for water meter Technique actuality
Development tendency
一．概述
淡水作为一种紧缺资源，正在受到人们的日益关注和重视。水表产品在住宅、商用和工农业用水计量方面的重要作用也已得到社会各界的普遍认同。除计量功能外，将水表读数及时、准确记录下来进行有效传送、处理和结算，同样至关重要。
经过水表行业有识之士十几年来的研究、改进和发展，已为我国供水行业开发了一批具有较好使用价值、能基本满足要求的水表自动抄表系统产品，并在多年实践中积累了许多有益经验和教训，为不断开发性能更完善、功能更强大、可靠性更高、使用寿命更长、价格更趋合理的新颖水表自动抄表系统产品打下了坚实基础。
水表自动抄表系统是一门综合性技术，包含了信号传感、数据处理、数据传输、数据管理等内容；涉及到水表基表技术、传感技术、信号处理技术、计算机技术、通信技术、网络技术、电源技术等领域。
二．技术现状
GB/T 778.1～3-2007标准将水表在技术和结构上分成“机械水表”、“带电子装置水表”和“电子水表”三大类。带电子装置水表是以速度式或容积式机械水表为基表，增加电子部件，使其具有流量测量参数（如叶轮转速）的传感采集、运算处理以及数据交换等功能，以满足用水量的自动抄读和水费收缴管理等需要。
水表自动抄表系统由软、硬件两部分组成。硬件部分主要有：带电子装置水表、网络设施、数据集抄装置以及终端设备等，软件部分主要有：嵌入式数据处理软件、网络管理软件、数据传输及收费管理软件等。
1.采用的主要技术
我国水表自动抄表系统产品经过十几年的发展、提高和改进，已初步形成了比较完整的产品技术体系。特别是在流量测量信号的传感采集，数据传输的安全高效，以及产品的可靠性、寿命、性价比等方面均已取得长足进步。目前采用的主要技术及特征：
（1）信号传感与采集技术
分线制脉冲传感采集方式
通过水表叶轮或计数指针发讯，输出与水流量成比例的脉冲信号；每个水表均需独立设置外部专线，经户外采集器对脉冲累加后求得实际用水量；铺线工程量大，脉冲易受内部和外界干扰影响；线路故障或断电可使信号中断，数据恢复困难；使用可靠性低，安装维护成本高；水表机械读数与远传数据很难完全一致。
总线制脉冲传感采集方式
通过水表叶轮或计数指针发讯，输出与水流量成比例的脉冲信号；表内设有计算机芯片和电池（也可用总线供电方式），内部累加并存储脉冲数和实际用水量；测量时水流体的振动、冲击等影响易使输出脉冲计数不准；水表机械读数与远传数据很难完全一致。
总线制直读传感采集方式
字轮编码方式：通过对机械计数器字轮位置的绝对编码，使字轮读数与编码输出信号完全一致；表内设有计算机芯片，但无须内置电源；户外采集器采集信号时向水表供电，读出用水（编码）数据；可靠性高，成本低，电磁兼容性强；编码器生产工艺要求较高。
图像传感方式：通过表外图像传感器将机械字轮读数拍摄下来，利用总线将图像信号传输到户外采集器；水表内无电源，信号采集时向传感器供电获取读数图像；传感器安装方便；图像数据及存储量大，对传输和系统要求较高；图像转换和识别软件复杂。
（2）数据传输与网络技术
有线数据传输与组网方式
以RS485或M-BUS总线组成的若干级有线自组网为内网，以电话公用网（PSTN）或无线公用网（如：GSM、GPRS、CDMA等）、以及手抄器组成的有线网络数据传输体系。区域内以有线网为主，区域外以公用网作为信息传输通道。技术比较成熟；区域内布线量大，安装维护成本高。
以电力线作为信号传输载体的应用探索也在进行之中。
无线数据传输与组网方式
以短距、低功耗无线通信技术为主体构成数据传输体系。区域内参照无线传感器网络（WSN）的某些技术进行组网，区域外仍以公用网作为信息传输通道。区域内不需布线，安装维护方便，组网成本低；数据易受电磁干扰影响，表内需自带电源，网络标准不统一；商业应用在技术上有待进一步成熟。
（3）网络数据管理技术
数据传输通信协议
数据传输协议目前执行建设部《户用计量仪表数据传输技术条件》（CJ/T 188-2004）标准。“传输技术条件”规定了户用仪表（包括水表等）集中抄表系统中物理层和数据链路层协议，对主站与从站之间的物理接口及其特性、信息交换帧的组成以及流量和差错控制等作出了具体规定。
数据传输安全管理
数据发送前要求对数据进行加密，接收后对数据进行解密。采用电子密本（ECB）方式进行加密运算后发送数据，加密算法采用秘密密钥的64bit分组的标准密码算法。
（4）电源供电技术
表内供电方式
以高能锂电池供电为主。带电控阀水表为可靠关阀，一般采用两节锂电池分“强”、“弱”回路供电；也有采用超级电容器平时充电，关阀时放电等方式。
外部供电方式
由外部集中器或采集器通过总线向水表供电。集中器或采集器一般采用大容量电池或经交流电源变换成直流后获取电能。
2．存在的主要问题
带电子装置水表的性能是制约水表自动抄表系统计量特性及其可靠性提升的关键因素。这方面的突破有待于机械水表以及传感技术的完善和创新。
短距无线通信技术也是目前的技术难点。它的出现既可解决有线网络布线的不方便和不经济，但也带来了信号传输的不可靠和电池使用寿命等问题。
供电问题是带电子装置水表的最大瓶颈之一。它影响到水表自动抄表系统的普及应用，也给产品设计带来了许多困难。
三．发展趋势
经过多年来的实践，行业内外对水表自动抄表系统发展趋势的认识正在逐步统一。虽然尚有某些分歧和不同意见存在，但对整体技术发展趋势看法还是比较一致，即：分线制向总线制发展，脉冲采集方式向字轮数据直接读出方式发展，有线数据传输逐步向无线数据传输发展，以及表具与数据传输的微功耗、基表性能及可靠性的提升等等。技术的发展重点主要体现在以下几方面：
（1） 传感技术
通过测量计数器字轮位置，将字轮读数转化为数字量编码形式输出。其中准确的编码方式和算法、可靠的绝对式编码器、以及规范的生产装配工艺则是保证信号传感、采集有效与可靠的前提。
常用编码方式有：二进制码、格雷码、单道简码等（目前国内已有多种编码技术被授于专利权）；编码信号传感方式有：直射式或反射式光电传感方式、电涡流传感方式、接触式电位传感方式等等；供电方式：基表内无电池，信号采集时由总线瞬时供电。
通过图像传感方式获取字轮编码数据也是一种有发展前景的传感技术。
（2）传输与组网技术
有线组网方式：采用M-BUS、RS485总线技术和数据通信协议，保证数据传输的可靠性和安全性。数据的加、解密及抗干扰技术的用运，是有线组网技术的关键。
无线组网方式：在现有短距、低功耗、非标准的自组网技术基础上向有标准通信协议、网络功能强大、抗干扰和兼容性好、表具微功耗和组网成本低的方向发展。值得关注的短距、低速率、微功耗无线传感网络技术有：紫蜂（Zigbee）、超低功耗蓝牙(ULP)、Z-Wave等。它们具有水表自动抄表系统所希望的基本特性，如：超低功耗数据抄读与传输、超低成本、具有无线通信标准化和网络拓扑管理、高安全性和可靠性、短距离和高容量通信、免执照频段、采用直接序列扩频技术（DSSS）提高信噪比等等。
（3） 微功耗设计及电源技术
大部分带电子装置水表（如：总线制脉冲采集水表、无线组网水表、卡式水表、热量表等）工作时均需自备电池供电，为确保水表工作可靠常将电池设计成不可更换方式。采用微功耗电路设计及省电算法是延长电池使用寿命的有效出路。
高容量电池（如新型锂电池、燃料电池等）的开发和产业化，必将为带电子装置水表提供使用寿命更长、体积更小的电源；利用光能、水能、无线电能等的发电、储电和供电技术也是今后解决水表自动抄表系统供电的重要研究方面。
（4）水表基表技术
水表的主要功能是对水流量的正确、可靠计量，因此提高水表基表的各项技术指标是确保水表自动抄表系统有效工作的重要保证。应在：流量测量范围、小流量计量特性、计量准确度、使用可靠性及寿命等方面进行全面提升。中、小口径电子水表（如：电磁水表、射流水表、超声水表、涡街水表等）由于测量管内无运动部件、压力损失小、测量范围宽、准确度高等特性，下一步作为水表自动抄表系统的基表有着良好的发展前景。
四．结语
水表自动抄表系统是近十几年发展起来的新兴技术，虽然经过多方努力在各个技术领域和技术层面上做了很多工作，并在各地住宅小区进行了大量有益的实践活动，总结了许多宝贵经验和教训。但从总体上说该项技术还处在发展和完善阶段，有待于进一步的创新与提高。
随着水表基表技术、传感技术、无线通信技术、网络传输技术、电源技术的发展与成熟，以及水资源管理力度的加大和智能小区工程推进速度的加快，作为用水计量器具和数据远传管理工具的水表自动抄表系统，必定有很广阔的应用前景和良好的发展空间。
主要参考文献：
1. GB/T 778.1～3-2007《饮用冷水水表和热水水表》.北京：中国标准出版社.2008.
2. CJ/T 188-2004《户用计量仪表数据传输技术条件》.北京：中国标准出版社.2004.
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5. 瞿雷、刘盛德等.Zigbee技术及应用.北京：北京航空航天大学出版社.2007.
6. 姚灵.中国智能水表发展趋势及自动抄表系统实践.中国水、电、气·超越AMR国际研讨会.2007，（11）.
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