摘 要： 自来水智能抄表系统是能源管理体制现代化的体现。该系统结合传感技术、射频技术、微电子技术等,通过无线通讯传输水量信号,利用现有广泛使用的电话网及计算机,将数据发送给管理端,完成数据处理。
关键词： 无线通讯 公用电话网" title="公用电话网">公用电话网 计算机 抄表
传统的供水计量操作通常是由各管理部门派人到装表地点抄表,由于用户面广、量大,极易造成差错,人工抄表不但效率低,且不利于科学管理,给城市管网的建模、分析、规划等都带来很大的困难。电子和计算机技术的迅速发展,为实现自动抄表" title="自动抄表">自动抄表技术提供了大环境,管理体制的现代化也呼唤着自动抄表时代的到来。目前我国普遍采用将水表安装在用户室内,每月入户抄表收费的方法。这给用户带来很多麻烦,给抄表人员带来烦恼,造成很多不必要的纠纷。为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端、提高效率、避免入户抄表引发的治安问题(如冒充收费人员入室抢劫)和杜绝拖欠费用,水表户外计量呼声越来越高。尤其对高层、豪华居住小区,水表户外计量是非常必要的,传统的抄表方式已不能适应今后住宅的发展要求。
随着电子技术、传感技术、自动控制技术和计算机技术的发展,水表户外计量已经开发出不少产品。主要有:IC卡、电力载波、远传抄表三种户外计量方式。建设部《2000年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则(修改稿)》中已经明确提出:“推广应用户外计量(含水、电、暖、燃气表)技术”。在《中国住宅产品发展纲要》中也明确提出:“实现方便查表,不干扰住户,使大量人工查表工作逐步过渡到数字化传送,开发智能化的水、电、气、热计量装置及接口箱柜”。目前水表户外计量的智能抄表系统已达到使用要求。因此,结合传感技术、射频技术,利用现有广泛使用的电话网,设计开发了结构独特、性能稳定、安全可靠的自来水智能抄表系统。
1 设计要求
为保证自来水智能抄表系统的准确性和可靠性,提高能源管理的科学性、规范化,对智能抄表系统提出以下要求:
(1)水表为密封结构,是一种既能直观显示相关能耗计量数据,又能产生能耗计量脉冲信号的新型计量表具。
(2)系统具有防断电功能。停电时,发射端和接收端装有备用电池,防止数据丢失。
(3)系统采用高精度不掉电实时时钟,为数据分时处理提供可靠的时间基准;可实现分时段计费功能;通过通讯设备故障报警、记录故障发生时间的功能。
(4)数据库安全。数据库为只读方式,只有授权的管理员可以写入数据,管理中心电脑设有密码,严防无关人员操作,密码可由操作员在主机上修改。可提供计费查询、报表生成、打印、报警等功能。
2 总体结构
智能抄表系统现有两种形式:
(1)用户室内装有电话,抄表系统结构如图1所示。数据采集器通过无线通讯将数据传送给数据处理器,数据处理器通过电话线向管理计算机上报数据。
(2)用户室内没有电话,抄表系统结构如图2所示。数据采集器通过无线通讯传送给数据处理器,数据处理器安装在室外的走廊内,并附带显示模块显示用户当前用水量。安装在走廊内的数据处理器通过公用电话线向管理计算机上报数据。如果住户的房间被铁门等屏蔽而无法实现无线通讯,可以铺设专用通讯线,将数据上传。
3 系统组成
(1)水表。本系统所采用的计量水表是一种既能直观显示相关能耗计量数据,又能产生能耗计量脉冲信号的新型计量表具。它实际上是一种加装了永久磁铁和霍尔元件组成磁电传感器的水表,霍尔元件固定安装在计数转盘附近,永磁铁安装在计数盘(例如0.1m3或0.01m3)位上,当转盘每转一圈,永磁铁经过霍尔元件一次,即在信号端产生一个计量脉冲,对应0.1m3或0.01m3,经无线发射器发送给数据处理器。另外,在水表上还装有防盗霍尔元件,当用户盗用水时,霍尔元件发出报警信号给数据处理器,数据处理器再通过电话线报告给管理计算机,以便做出处理。
(2)数据处理器。数据处理器是一个多功能模块,实现水表数据的自动抄收,将数据长期、可靠地储存,并在需要时将其传给管理计算机。具体来说,它用于接收水表数据及各种报警信号,累计住户用水量,通过电话线定期向管理计算机发送住户的有关数据。一台数据处理器对应一块水表,一般安装在电话机附近。数据处理器内部有可充电电池作为后备电源,在外部电源停电的情况下,则由充电电池单独向数据处理器供电,保证数据处理器正常工作。
(3)管理计算机。管理计算机是本系统的管理核心,可通过电话线下接许多数据处理器,数据处理器的个数基本不受限制。管理计算机能随时抄收每个用户水表的数据,并将数据保存在数据库中供查询,能对整个系统进行管理,对所抄数据进行处理。
4 系统硬件电气原理分述
4.1 水表发射器电气部分原理
水表发射器的功能是将水表计量的用水量,以无线通讯的方式传送给数据处理器。框图如图3所示。安装在水表内的霍尔传感器用来检测用水量,水表中每流过0.1t水,霍尔传感器就发出一个脉冲信号,经单稳态电路产生一个约1s宽的脉冲,再经施密特反相器4069整形后送入编码器PT2262进行编码,PT2262全码编址为411个,经编码后的数据送入无线发射模块进行发射,无线电发射频率为400MHz,有效距离为50m;同时发射器还具备一些附加功能。
(1)防盗功能。由于干式水表靠电磁传动的特点,它易受外加磁场的影响。如果用户在水表附近放有强磁铁,它会使水表传动齿轮转速降低,使水表的测量精度降低。而发射器上另装有一个专用于测量磁场强度的霍尔传感器,当发现水表附近有强磁场时,霍尔传感器发出报警脉冲,经发射器无线传送给数据处理器。
(2)备用电池。为保证发射器在停电时能正常工作,在交流220V供电的同时,还备有一个4.8V的镍氢电池、由LM358、555组成的电池电压监测和充电电路,使电池能正常充电。后备电池可维持发射器连续工作48h。
4.2 数据处理器电气部分原理
数据处理器是本系统的关键设备。由无线接收和解码部分、时钟日历、8051及外围、电话收发电路、电源等部分组成。框图如图4所示。无线接收模块与发射模块工作在相同频率400MHz上;解码由PT2272完成,工作频率与PT2262相同,地址编码与PT2262一致。时钟日历芯片DALLAS12887为系统提供准确的百年时钟日历,包括年、月、日、时、分、秒、星期和定时报警信号。
电话收发电路由拨号电路和音频解码电路组成。4-16译码器MC4514、模拟开关4066组成3×4虚拟键盘阵列,由8051控制各按键的开与合,完成将要拨出电话号码和上传数据的编码,并将电话号码和数据送入拨号电路。拨号专用芯片为W91312,晶振频率为3.58MH,接收到管理计算机端的电话号码后立即拨出。当两端的握手信号完成,确认线路接通后,由8051控制将上传的数据以音频方式输出给管理计算机;音频解码电路的功能是将音频信号解码,以BCD码的形式输出。当数据处理器拨通管理计算机后,管理计算机端回复一个接通握手信号,该信号是音频信号,经交流放大电路放大后,送入音频解码芯片MC145436解码,最后以BCD码的形式送入8051。
系统供电采用220V交流和锂后备电池供电的双重方案,当住宅停电或人为断电时,系统仍可维持正常工作48h。
4.3 管理计算机通讯接口板电气部分原理
管理计算机通讯接口板由拨号电路、音频解码电路、电话振铃检测电路、光电隔离电路和电源电路组成,如图5所示。拨号电路和音频解码电路与数据处理器板上的相同。
5 系统软件
本系统软件由数据接收、数据转换和收费系统三部分组成。
(1)数据接收系统。由于需要从并口读取用户的用水量,所以在用户的用水量上来之后,先由数据接收系统将用户的数据转换成文本文件。此系统在操作系统启动后自动启动,且一直处于工作状态。
(2)数据转换系统。考虑到数据接收之后形成的是文本文件,不能直接进入数据库,所以设计一个数据转换系统将数据存入数据库。此系统在操作系统启动后自动启动,且一直处于工作状态。
(3)收费系统。在合法用户登录到本系统后,进行日常的业务处理。根据用户的计算机配置情况,该系统可以在单机环境下运行,也可以在网络环境下运行。
单机运行环境对计算机软、硬件的要求:操作系统为WIN95/WIN98;数据库为Oracle734。
网络运行环境对计算机软、硬件的要求:操作系统的客户端为WIN95/WIN98、服务器端为WIN2000/WINNT;
数据库的客户端为Oracle734;服务器端为Oracle8i;
硬盘:5G;
水作为一种有限的资源,越来越为人们所重视,节约用水已不再是一种倡议,而是我们的责任和义务。因此,对居民、企事业单位用水的准确计量是十分迫切的,一户一阀,一户一表已是大势所趋。另一方面,随着一户一表工程的实施,居民用水的计量与收费的难度也逐渐加大,为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端,提高效率,避免入户抄表引发的治安问题,杜绝拖欠费用。因此,户外智能抄表代替传统入户抄表势在必行。
在现有的智能抄表中,有通过动力线载波网络实现的,有通过铺设专用线实现的,比较两种智能抄表系统,用动力线载波网络实现局限性比较大,主要受变压器限制;通过铺设专用线来实现,施工工程比较大,改造费用也比较高。因此,采用公用电话网实现智能抄表系统,避免了上述的不利因素,适用面比较广,安装方便,不用铺线,改造费用也比较小,给用户带来很多方便。因此,应用前景非常广阔。
参考文献
1 何立民.单片机应用技术选编. 北京:北京航空航天出版社,2000
2 杨帮文.新型实用电源电路集锦.北京:人民邮电出版社,1999
3 冯熙昌.电子电话机集成电路手册.北京:人民邮电出版社，1992