津水赛恩仪表有限公司—张瑞
简述：本文主要介绍智能无线远传水表技术的发展前景和工作原理，介绍了智能无线远传水表的几项重要的指标和无线远传水表的可靠性能。
关键词：无线远传水表、无线网络、传感器、扩频通讯
一、智能无线远传水表系统概述
智能无线远传水表系统是利用计量传感器、无线数据传输技术和单片机智能控制技术结合在一起的一种远程计量、测控、抄读系统。是实现自来水行业水资源管理、水表抄读、水费收费管理自动化、数字化、网络化的管理系统。
目前国内外都有类似的系统，我国在水表抄读、水资源管理的自动化、网络化还在起步阶段，国内涌现许多做无线远传水表抄读系统的厂家，目前几乎所有厂家的都是采用点对点的无线传输系统，就是利用水表内安装的无线发射装置传输数据给数据集中器，再利用手持器抄读数据集中器的数据来实现无线抄表。这种抄表方式存在的主要缺点是频率利用率低，每次只能一块水表与集中器通讯，在安装水表数量多的时候，数据碰撞是不可以避免的，这样在很大程度上降低了数据的传输成功率，从而减低了抄表的成功率。虽然利用码分多址的方式可以解决数据传输成功率的问题，但是由于表内都是采用一次性锂电池供电，表不可能长期开机供电，所以就不可能进行实时的数据连接。所以实现码分多址的方式就不能在这个系统内实现。
随着芯片技术的发展和跳频技术的成熟，特别是无线网络协议和无线网络的成熟，可以利用跳频技术和无线网络技术实现无线远程抄表。目前无线网络在国外已经陆续开始应用，相信在不久的将来无线网络技术在我国也会开始应用和普及。无线数据传输网络也会象GSM网络一样覆盖每个角落。
“无线网状网络”也称为“多跳（multi-hop）”网络或“无线蜂窝网络” 。是一种创新的公共无线区域网架构，可以提供整套端到端的网络解决方案。它采用Gateway＋Node结构，其中Gateway是一台具有路由器功能的AP，Node则是仅用于覆盖的AP。利用多个Node将大量的用户数据信息通过无线方式汇聚到一个Gateway，并通过Canopy无线网桥或光纤回传骨干网中。
“无线网状网络”是一种非常适合于覆盖大面积开放区域（包括室外和室内）的无线区域网络解决方案。其特点是：由包括一组呈网状分布的无线AP构成，AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联，系统采用多跳设计特别适合大面积场外部署，无盲区特点，覆盖大面积开放区域。系统自由组网，结构灵活快速部署，节点之间切换速度快，适合大量数据的集中传输。
多跳无线网络可以增大现有无线网络的覆盖范围，同时不牺牲信道容量，可以提供非视线连通性，可以使用较短的链路距离实现更高的吞吐量而不牺牲有效无线电范围，同时节点间干扰更小，频率重用更有效。
利用无线网络技术的抄表系统是将数据集中器作为网络的一个节点，无线远传水表通过严格的通讯协议利用跳频方式与集中器进行数据交换，数据集中器通过无线网络将数据直接传输到管理中心的计算机内。这样就可以实现完全的免抄表，表的数据和运行状态直接通过网络传输到计算机内。同时对表的控制信息也可以通过无线网络传输到集中器再由集中器传输给水表。集中器传输给水表的数据是在水表给集中器发数据的时候由集中器将数据传输给水表的，这样既可以保障水表的耗电要求又可以对水表进行控制。利用无线网络传输的抄表系统是理想的抄表和管理系统。
二、无线网络抄表系统的工作原理及系统组成
1、无线网络抄表系统工作原理
无线网络抄表系统是利用公用无线网络作为传输媒体，在无线网络上将数据集中器作为网络接点实现的水表数据传输和数据控制的抄表管理系统，其主要工作原理如下：
无线远传水表定时或定量的将数据传输到数据集中器内，水表的无线发射采用跳频的方式，在发射数据的时候与数据集中器连接获得伪随机码，根据伪随机码确定工作频率从而实现无碰撞将数据传输给集中器，数据集中器将传输来数据发送到无线网络，再由无线网络将该水表数据传输到计算机中心，同时在接收水表数据的时候将控制信息传输给水表，水表根据控制信息的内容做相应的操纵。操作完成后进入睡眠状态。进入到无线网络上的数据，由网络路由器将数据传输到数据中心计算机，再由计算机网络传输到营业计算机内，数据在营业计算机内经过运算处理，形成交费数据，计算机网络将该数据传输到银行进行水费结算，并将欠费用户数据传输回营业计算机内，营业计算机通过无线网络将欠费用户数据传输到相应的数据集中器，由集中器在与表传输数据时控制表的相应动作。
2、网络传输无线远传水表系统组成:
系统主要由数据中心计算机管理系统、营业计算机管理系统、网络数据集中器、无线远传水表组成。详细系统结构见下图:
三、无线远传水表工作原理及组成
1、无线远传水表工作原理和功能
无线远传水表是在机械式水表的基础上，加装传感器和无线数据传输装置组成。该水表采用特殊的结构处理，使远传水表具有抗磁场、震动等外界干扰的能力；抗干扰性能强；耗电量小；传输距离远；计量精度高的优点。传感器传输过来的水量信息通过水表控制板对该信息进行采集、整理、存贮，同时控制电路板监控水表的运行情况，记录故障现象，并将该信息通过无线方式发送到数据集中器。无线远传水表的数据发送方式有两种，一种是当用水量达到设定的值后信息自动发送到集中器，另一种是当定时时间到后自动给集中器发送数据，在发数据的同时将接收机开启，接收数据集中器传输来的控制信息，水表根据集中器的控制信息做相应的操作，比如：关闭阀门。无线远传水表能保证在断电情况下保存信息。该水表采用高能锂电池供电，可以连续工作8年。
水表的安装与普通机械表的安装相同，安装时不需要对水表进行任何的设置。安装后的水表自动与数据集中器进行数据连接。
水表主要有实现如下功能：
●无线传输采用跳频设计，使水表在每次传输数据的时候能够根据伪随机序列码自动锁定频道，避免了数据传输的碰撞，保障数据传输的可靠性。
● 水表阀门控制功能
通过无线电的方式关闭或开启该水表的电动阀门。在开启或关闭水表阀门的时候，需要将关闭或开启命令发到集中器，在水表发送数据的时候，该命令传输给水表，进行相应的开启或关闭操作。
● 用户长期未用水情况报告功能：
当用户长期不用水，水表可以向集中器汇报该情况,其不用水情况的的时间期限可设定。
● 远传水表被破坏或受干扰报告功能：
当用户水表受到破坏或受外界干扰所引起的计量不准确时，该水表能够向集中器报告该信息。提示管理部门对该用户引起注意和采取相应措施。该信息主要包括：恶意强磁干扰、电池低压报警、电动阀门开启和工作状态。
● 电池电能不足报告功能。
当电池电量不足时，向上报告，通知维护部门。
2、无线远传水表的组成及功能
无线远传水表采用模块化设计，这种设计提高系统的可用性、可扩展性和系列化。该水表按照功能模块划分为：主CPU模块、监测模块、数据存储模块、时钟模块、电源模块、采集模块、无线传输模块。
● 模块构成示意图：
● 控制器
控制器是控制整个电路的核心，它能监测、处理、记录远传水表送来的信号，并根据集中器的返回命令来关闭或开启带阀门的水表。控制器采用高效能8位单片机加电源监视器、程序监视器构成。具有高性能低造价的特点，运行稳定可靠。
● 非易失存贮器
采用串行EEPROM非易失存贮器，具有掉电后继续保存数据的能力，可重复擦写100，000次，数据可以保持100年。而且价格低廉。
● 输入采集接口
输入采集接口电路主要由输入滤波器和线路故障监视器构成。输入滤波器采用RC滤波电路，主要用于滤除信号中的干扰成份，把干净的传感器信号传给系统。故障监测电路在输入线路的工作出现异常的情况下提示系统报警。
● 无线数传模块：
无线数传模块是安装在水表内的无线数据传输设备，该模块采用跳频通讯技术与数据集中器进行数据传输，通讯的可靠性、保密性显著提高。
无线数传模块主要由接收机、发射机、数字锁相环，调制、解调器等构成。其主要功能是将控制器送来的数据，调制成无线信号发射出去。或将收到的无线载波信号解调成原始数据通过串行总线送给控制器。
● 电源
水表数据的采集和传输由8.2AH的锂电池提供。电池设计使用寿
命超过8年。
● 外壳
整机采用塑料外壳，壳盖封闭。有良好的防水性能（防水等级为IP68）。
四、无线数据集中器
1、无线数据集中器的原理和功能
无线数据集中器作为无线网络的一个接点，该接点实时与数据中心联接，使数据与中心保持一直畅通，无线数据集中器采用采用跳频方式接收和发送无线远传水表的数据信息，并将数据通过无线网络传输到计算机数据中心，同时数据集中器将控制中心的命令传输给水表。无线数据集中器功能：
● 自检功能：数据集中器在开机和运行过程中对自身的硬件和软件进行实时检测，当数据集中器由于干扰等原因引起故障或软件“跑飞”，“死机”等现象时，数据集中器可以自动恢复正常工作状态。当数据存储器的部分存储器单元发生故障时，数据集中器可以自动寻找下一个存储器单元进行数据存储。当发生停电现象时，数据集中器可以保持已经记录的数据。数据不会因为停电而丢失或改变。
● 数据集中器通过无线接收的方式接收相应无线远传水表的水量、故障状态等信息。
● 存储功能：数据集中器能准确存储相应无线远传水表发送的数据信息，并记录信息产生时间。
● 数据集中器通过无线方式接收手抄机集抄命令，将无线远传水表的数据信息下载到手抄机，并自动校对数据集中器时钟。
● 数据正确性和完整性判断功能：
数据集中器与手抄机的数据传输采用纠检错编码传输，可以对数据的完整性和正确性进行校验和纠正。
2、数据集中器组成及各组成部分工作原理
数据集中器按功能划分为主CPU模块、监测模块、数据存储模块、时钟模块、电源模块、显示模块、无线传输模块。
● 集中器组成示意图：
● 主CPU模块
主CPU模块是整个电路的核心。采用高性能8位单片微型计算机内含32KB Flash ROM程序寄存器和256字节内部数据寄存器，有3个16位可编程定时记数器、双数据指针32个可编程I/O口，一个可编程UART串行通讯接口，两个外部中断和8个中断源。具备ISP在线程序下载能力，性能良好，价格低廉。
● 数据存储模块
采用串行EEPROM非易失存贮器，容量8K字节。可重复擦写10万次，数据保存时间大于10年。用来存储水表信息。
● 时钟模块
时钟模块为系统提供精确的实时时钟信号。采用国外专用串行时钟芯片，外加锂电池和晶体振荡器，保证系统停电后继续记时。可提供年、月、日、星期、时、分、钞等信息，还可提供定时和确定中两种中断，内置2K字节EEPROM，可存储系统信息。其锂电池寿命可达10年，采用串行接口功耗低，运行可靠。
● 监测模块
监测模块由上电复位电路、看门狗复位电路等构成，用以系统上电时和程序失控时提供可靠的复位信号，保证系统正常运行，采用专用的复位芯片功耗低，运行可靠
● 无线传输模块
无线数传模块是实现无线数传的关键，该模块采用了专用无线数传通讯大规模集成电路芯片。由于芯片集成了数据收、发和数据处理等功能，使通讯的可靠性、保密性显著提高。内建数字锁相环路快速锁定。使得通讯质量大大提高。芯片的低功耗设计增加了系统的实用性。无线数传模块主要由接收机、发射机、数字锁相环，调制、解调器等构成。无线数传模块主要功能是将控制器送来的数据，调制成无线信号发射出去。或将收到的无线载波信号解调成原始数据送给控制器。该模块能够与无线数据网络进行实时的连接。
● 电源
电源采用220V交流电源，采用当前国际先进的AC/DC转换模块。输出5V直流电压供系统使用。该电源适应范围宽稳定性好。
五、无线数据传输网络的组成和特点
无线数据传输网络主要由：无线接点设备、无线路由器、无线数据管理计算机等设备组成。
数据集中器作为网络的一个接点，主要是接收水表的数据和与无线网络进行数据接入和数据转换。
网状路由器的主要功能如下：网关／网桥／重发器功能；支持网状联网（网状路由器通常安装多块不同／相同无线接入技术网卡）；通过多跳通信可以用较低功率达到相同的覆盖区域；增强型MAC协议，以支持在多跳网状环境下达到高可伸缩性。
采用无线网络作为无线水表抄表的数据传输媒体，该媒体主要由如下特点：
1、系统采用扩频通信技术，可以工作在 350MHz 到 1500MHz 之间的指定频段，具有优异的抗干扰特性和保密特性。
2、系统采用 OFDM 调制技术，具有极佳的非视距传输特性和稳定数据传输性能。
3、 系统支持 TCP/IP 网络协议，可以与各种现有的计算机网络无缝连接。
4、 系统提供可达 15Mbps 的传输数据带宽。可以同时传输多路 数字信号。系统同时支持 VOIP 功能，支持语音双向传输。
5、 系统具有优异的绕射能力，穿墙能力，穿越障碍物能力，可以广泛适用于城市街道、楼群、乡村、湖泊、海域、丘陵、丛林、山地等各种复杂环境下稳定可靠工作。
6、系统组网方式灵活，易于扩展，系统结构可根据需要做多种安排。
在无线远传抄表系统中，数据集中器作为该无线网络的一个接点，该集中器通过一个无线本地网络共享带宽的接入。集中器之间可以动态自组织和自配置，节点自动建立与维护其间的网状连接。实现任何时间、任何地点、总在线的理想状态。这样可以用来进行碰撞的避免，以及进行流量的管理。集中器的数据通过无线网络物理层的流通最终将数据传输到数据管理计算机内。
