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1、无线液封远传水表在旧城改造中的应用苏州自来水表业有限公司 姚福江 董桂茜 叶剑 吴帅0 引言随着网络技术的发展，科技的进步，所有的生产生活方式都在改变，特别是近几年，物联网技术的发展进步，一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。对于水表行业而言，传统的水表行业存在着诸多问题。例如抄表难，人情表，难以统计分析资料等。新兴的水表行业应运而生，更多的新型水表也被研发出来，各种各样的智能水表可作为物联网的一个节点，在建设智慧城市、智慧化小区上具有重要意义。2014年1月3日，国家发改委、住建部印发关于加快建立完善城镇居民用水阶梯价格制度的指导意见的中建议水表采用
2、智能化电子远传水表。远传水表在国内从普通的脉冲发讯水表发展到现在具有远传、电子显示、阀门控制等功能的智能化水表，在功能上已经逐步完善，但在安装使用上仍存在布线困难，读数不准确，系统不够稳定等问题。在老旧小区水表一户一表的改造中，针对水表布线难的问题，提出一种无线传输方案。该方案采用低功耗高灵敏度的射频芯片，解决远传水表在小区改造、有线水表线路破损无法修复的施工难题，减少线材使用，同时降低施工成本。该方案采用的无线技术，解决传输距离短、穿墙信号衰减、电池使用寿命的问题；针对传统远传水表数据采集存在的问题，提出一种全新机械传动方案，打破无线水表只能选用脉冲式水表的限制，读取的数据稳定可靠，水表字轮
3、位置相当于内存。本文详细介绍整个方案的构成，分析水表超期使用流量及无线模块中电池的影响，具体说明该方案在旧城改造中的实际应用情况。1 方案采用方法本方案中，主要是民用无线远传水表和抄收系统，本文着重讲述无线水表部分。水表部分主要包括液封直读基表部分和无线传输部分；抄收系统部分主要包括抄收设备和后台软件系统。1.1 液封直读基表部分1.1.1 远传水表的发展国内远传水表从上世纪80年代中后期便开始研制，早期的模式大部分是在水表上加一块磁铁，再加一个干簧管，水表每转动一定水量，产生一个信号脉冲，将这个脉冲统一起来采集，行业中称之为分线制远传水表；诞生于上世纪九十年代的电磁水表采用电磁流量计类似的原
4、理，根据法拉第电磁感应定律制造的用来测量管内导电介质体积流量来对水流量进行采集。但由于当时的自动抄表并没有开始普及，所以没有大规模流行。直到上世纪90年代中后期，这一技术和超声波水表开始占有一定市场，主要用于大口径水表。目前国内市场上生产的带基表的电子远传水表主要有脉冲式和光电直读式两种方式。脉冲式远传水表的主要技术是在原来普通机械水表上安装磁感应元器件，当水表中有水流通过，磁感应器件输出脉冲信号，这种水表要求有电路对脉冲信号实时采集，才能达到计数的目的；光电直读方式水表是把水表的字轮做较大的修改，通过光电管的发射和接收读取字轮的状态，根据字轮的状态即可读出水表的读数，即通过直接读取的方式采集
5、水表的数据，该方式电路平时可以不工作，只在读取时瞬间工作即可。不带基表的电子远传水表主要有全电子机头水表、超声波水表和电磁水表三种，他们除了具有远传功能外，还具有电子显示功能。全电子机头水表是采用普通水表的叶轮，齿轮部分用电子元件代替，水表上半部分采用电磁线圈，水表中水流通过时，下半部分叶轮转动带动一个金属片切割磁力线，经过整形放大形成脉冲信号，单片机记录该脉冲信号并进行累加，通过液晶屏将用水量显示在指示装置，该方式要求水表在正常计量条件下需要外部电源或者电池进行供电，否则水表资料将全部丢失。1.1.2 液封式远传直读水表按水表的计数器是否浸入水中分为湿式水表和干式水表。典型的性能区别在于水表
6、的表玻璃是否承受水压、水表机械传感器与计数器的传动是直接齿轮联动还是磁钢传动。液封水表是湿式水表的一种，是将用于抄表的计数字轮或整个计数器用透明液体密封的水表，密封隔离的计数器内的清晰度不受外部水质的影响。两种水表相比较，湿式水表具有更优良的流量特性。直读型远传水表是近年来开发出的产品，一般采用位置传感器来识别水表的指示装置上每一位字轮的读数，将水表传感器的位置信号转换成电子代码，直接读取位置信号，达到读取水表数据的目的，称之为直读水表。直读水表一般只设计到1m以上的抄读数，字轮上的1，2，3，9，0十个数分别对应不同的位置代码，水表字轮在水流冲击叶轮带动转动，每转到一个位置，对应一个电子代码
7、，相当于一个机械内存，平时不需要供电即可工作，只是在读数据的时候供电即可。直读型电子水表往往采用单片机和电子读数模块组合一起放在表内，再通过数据总线进行联网，通过信号线引出与抄表系统连成一回路。平时不工作也不用电，只有到要求抄读的瞬间或一段时间，抄表系统发出抄读指令、接通回路，才把当前的各字轮示值数通过电子转换传送给管理系统。在实际应用中，通过光电发射管和光电接收管组成信号发送接收部分，水表字轮按照一定规则做成的有规律的机械处理，以便形成多组二进制编码来读取水表的数据，主流产品有光电透射式和光电反射式两种类型。光电式直读水表电子部分和水表的字轮不产生机械接触，不存在磁干扰，稳定性相对比较高，在
8、实际应用中比较多。按水表国家标准GBT778.12007冷水水表 第1部分：规范的要求，水表可配置远传输出系统，水表加上远传输出装置后不应改变水表的计量性能。光电直读式远传水表的计量性能、耐压性能、压力损失等均与普通表相差不大，完全满足相关法规要求。1.1.3 液封直读远传水表的模式液封水表是水表的计数器浸入水中的水表，其表玻璃承受水压，传感器与计数器的传动为齿轮联动，用于抄表的计数字轮或整个计数器全部用一定浓度的甘油或其它透明液体配制密封的水表，密封隔离的计数器内的清晰度不受外部水质的影响，其余结构性能与湿式水表相同。在做智能水表时，采用的方式是将计数器浸在水中，下半部分或上半部分留出一个隔
9、离开的空腔，在空腔内放置电路板，把电路板隔离或用透明环氧树脂灌装，达到与水隔离，从而采集水表字轮数据。图1 图2上图中是两种安装方式，图1是下装电路板，然后用环氧树脂密封，图2是上装电路板，靠水表表壳和水隔离，电路板只工作在水表字轮下半部或水表字轮上半部分，直读的光电传感器是主要靠红外光发射接收采集信号，光在一种介质中是沿着直线传播的，表壳采用的透明ABS和水的透射率基本相同，不会影响光的传播，水表读数比较可靠。图1中电路板处于字轮下半部分，当字轮窗有气泡时，气泡会向上游动，对读数影响很小，但电路板是靠环氧树脂密封，生产工艺相对复杂；图2的电路板在字轮的上半部分，安装比较方便，但对字轮进气泡比
10、较敏感。水表机芯采用ABS材料，平时完全工作在水中，由于水的润滑作用，几乎没有磨损，长期工作对水表流量没有影响；水表表壳优先采用铜壳，相比较球墨铸铁表壳，铜表壳在实际应用中耐压能力强，表壳内几乎不结水垢，不影响水表的计量特性，对水质无污染，且回收利用价值高；不锈钢表壳比较安全可靠，但加工难度大，成本高，不作为主要选用表壳。1.2 无线远传部分 1.2.1远传采用的方案在目前使用的智能化水表中，大部分厂家采用了有线传输方式，采用这种方式的好处是系统稳定可靠，受外界干扰少，适合新建小区及改造比较简单的小区；无线远传水表是采用无线传输的模式，通过无线方式将数据发送出去，代替人工抄表，更方便、更快捷。
11、其组网抄收方式可以达到有线传输方式的效果，施工时和普通机械水表类似，无需布线。对应民用小口径水表，较多的是采用470MHz510MHz专用抄表频道，该频段为短距无线通讯网络，具有高可靠性，高数据安全性、实时性强、抗干扰能力强等特点，可实现高速、非视距的数据传输，特别适合旧城区的改造。1.2.2 无线远传采用的技术无线模块往往讲的技术指标为灵敏度、发射功率、频率范围等等，很多厂家在推广时提的是空旷传输距离，但是跟实际应用关系比较密切的是穿墙能力，因为在实际应用中，不可能把水表安装在空旷无障碍物的地方，一个空旷距离能传输1000米的无线模块，往往不一定能穿过8层水泥墙，所以，在实际研发时，考虑的是
12、穿墙能力有关的发射功率、接收灵敏度和工作频率。众所周知，频率越低，波长相对越长，穿墙能力就越强，但是，太低的频率容易受到干扰，所以抄表行业就选择了470MHz510MHz专用抄表频道。同样条件下，无线模块的发射功率越大传输的距离就越远，穿墙数越多，但是太大的功率消耗的电流比较大，同时对其他设备造成的影响也比较大，同时相关的标准也要求单表发射功率不能超过10mW。相同的条件下，接收灵敏度高，相对传输的距离更远，早期的芯片由于技术的限制，接收灵敏度并不是太高，近几年的产品已经有了很大的改善，如TI公司的CC1100，接收灵敏度能达到-110db，近两年SILICON LABS公司提出的si4463
13、无线芯片，接收灵敏度能达到-126db，性能大大提高。但是单单提高某一项技术指标并不能解决所有问题，实际应用中无论是发射功率提高、接收灵敏度提高还是频率降低都不能解决穿墙数目少的问题，所有只能通过其他方式方式来满足实际应用的要求。无线水表要达到有线水表同样的技术联网要求，只有通过组网的方式来实现，组网可以采用中继或自动组网的模式，该方案中采用的中继的方式为主机在抄表时间到了之后，启动抄表指令，唤醒下位水表，当下位水表接收到上位抄表指令后，判断是抄本机水表的读数还是中继抄收其他水表的读数，一个抄表网络由主节点开始组建，其网络组建无需外界干预，由网络节点上电后自动完成。一个自动组网抄表网络最多可达
14、1000个节点，加之网络跳数大(水表间中继，最大跳数可达8跳)，因此，自动组网的的通信覆盖范围将大大超出传统的点对点与点对多点模式的覆盖范围，完全可以解决实际安装使用中的穿墙屏蔽问题，达到和有线网络相同的功能。每一只水表，在主机的管理下，实际上都可作为一个中继器来使用，大大提高了网络的兼容能力。另外一种模式为自动组网模式，每一个模块可以作为其它模块的路由器，模块根据和上位通信的资料自动检测自身模块信号强度，根据信号强度选择通信路径，组成网络，该方式类似zigbee网络，是需要用软件的方式组建，需要花很大精力去做路由查询，路由查询的复杂成都取决于节点数量，随着节点数量增加，路由查询复杂度迅速上升
15、，所以不予考虑。为了减少无线模块的电源消耗，无线水表采用定时启动模式，每秒启动模块一次，在启动后的几十微秒时，监听到同频率的无线唤醒指令时，完全唤醒模块，等待和上位通讯，该模式可以和有线方式一样做到实时响应和抄表，采用该模式，配合低功耗单片机，让无线模块处于“Low sleep mode”，此时，模块待机电流50nA，采用ER18505的电池，每天抄一次水表，理论上电池可以使用13年以上。2 水表超期使用状况分析我国相关法律条例规定，居民的水表每6年为一个周期需要检定一次，旧的居民小区无法进行大规模的开挖布线施工，水表的智能化升级改造非常困难，无线湿式直读水表能最大限度的提高水表的灵敏度，做到
16、计量产品的公平公正，每天用水量的统计，无论是自来水公司还是居民，都能对数据做到一目了然，消除公众对公共事业部门的管理不信任。但是在实际情况中，完全按照每6年水表进行周期检定的水表很少，采用该无线湿式直读水表后，实际运行中对水表流量指标进行分析，水表的流量指标大部分是满足要求的，也就是说，该水表超一个周期使用是可以接受的。对于电子部分，直读模块完全工作在环氧树脂密封状态中，平时不工作，2个水表使用周期的使用年限完全能满足；无线电子部分，工作在全密封电子腔内，无外界环境影响，完全能满足周期使用的要求；电池工作在超低功耗状态下，采用容量型电池，没有功率型锂亚电池的钝化现象，使用寿命能满足周期的要求。湿式旋翼水表采用的活动部件(叶轮、叶轮盒组件等)一般用工程塑料ABS材料制造，比较耐磨。在容易磨损部件上采用了
