無線液封遠傳水表在舊城改造中的應(yīng)用

1、無線液封遠傳水表在舊城改造中的應(yīng)用蘇州自來水表業(yè)有限公司 姚福江 董桂茜 葉劍 吳帥0 引言隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，科技的進步，所有的生產(chǎn)生活方式都在改變，特別是近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展進步，一方面可以提高經(jīng)濟效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟的復(fù)蘇提供技術(shù)動力。對于水表行業(yè)而言，傳統(tǒng)的水表行業(yè)存在著諸多問題。例如抄表難，人情表，難以統(tǒng)計分析資料等。新興的水表行業(yè)應(yīng)運而生，更多的新型水表也被研發(fā)出來，各種各樣的智能水表可作為物聯(lián)網(wǎng)的一個節(jié)點，在建設(shè)智慧城市、智慧化小區(qū)上具有重要意義。2014年1月3日，國家發(fā)改委、住建部印發(fā)關(guān)于加快建立完善城鎮(zhèn)居民用水階梯價格制度的指導意見的中建議水表采用

2、智能化電子遠傳水表。遠傳水表在國內(nèi)從普通的脈沖發(fā)訊水表發(fā)展到現(xiàn)在具有遠傳、電子顯示、閥門控制等功能的智能化水表，在功能上已經(jīng)逐步完善，但在安裝使用上仍存在布線困難，讀數(shù)不準確，系統(tǒng)不夠穩(wěn)定等問題。在老舊小區(qū)水表一戶一表的改造中，針對水表布線難的問題，提出一種無線傳輸方案。該方案采用低功耗高靈敏度的射頻芯片，解決遠傳水表在小區(qū)改造、有線水表線路破損無法修復(fù)的施工難題，減少線材使用，同時降低施工成本。該方案采用的無線技術(shù)，解決傳輸距離短、穿墻信號衰減、電池使用壽命的問題；針對傳統(tǒng)遠傳水表數(shù)據(jù)采集存在的問題，提出一種全新機械傳動方案，打破無線水表只能選用脈沖式水表的限制，讀取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，水表字輪

3、位置相當于內(nèi)存。本文詳細介紹整個方案的構(gòu)成，分析水表超期使用流量及無線模塊中電池的影響，具體說明該方案在舊城改造中的實際應(yīng)用情況。1 方案采用方法本方案中，主要是民用無線遠傳水表和抄收系統(tǒng)，本文著重講述無線水表部分。水表部分主要包括液封直讀基表部分和無線傳輸部分；抄收系統(tǒng)部分主要包括抄收設(shè)備和后臺軟件系統(tǒng)。1.1 液封直讀基表部分 遠傳水表的發(fā)展國內(nèi)遠傳水表從上世紀80年代中后期便開始研制，早期的模式大部分是在水表上加一塊磁鐵，再加一個干簧管，水表每轉(zhuǎn)動一定水量，產(chǎn)生一個信號脈沖，將這個脈沖統(tǒng)一起來采集，行業(yè)中稱之為分線制遠傳水表；誕生于上世紀九十年代的電磁水表采用電磁流量計類似的原理，根據(jù)法

4、拉第電磁感應(yīng)定律制造的用來測量管內(nèi)導電介質(zhì)體積流量來對水流量進行采集。但由于當時的自動抄表并沒有開始普及，所以沒有大規(guī)模流行。直到上世紀90年代中后期，這一技術(shù)和超聲波水表開始占有一定市場，主要用于大口徑水表。目前國內(nèi)市場上生產(chǎn)的帶基表的電子遠傳水表主要有脈沖式和光電直讀式兩種方式。脈沖式遠傳水表的主要技術(shù)是在原來普通機械水表上安裝磁感應(yīng)元器件，當水表中有水流通過，磁感應(yīng)器件輸出脈沖信號，這種水表要求有電路對脈沖信號實時采集，才能達到計數(shù)的目的；光電直讀方式水表是把水表的字輪做較大的修改，通過光電管的發(fā)射和接收讀取字輪的狀態(tài)，根據(jù)字輪的狀態(tài)即可讀出水表的讀數(shù)，即通過直接讀取的方式采集水表的數(shù)據(jù)

5、，該方式電路平時可以不工作，只在讀取時瞬間工作即可。不帶基表的電子遠傳水表主要有全電子機頭水表、超聲波水表和電磁水表三種，他們除了具有遠傳功能外，還具有電子顯示功能。全電子機頭水表是采用普通水表的葉輪，齒輪部分用電子元件代替，水表上半部分采用電磁線圈，水表中水流通過時，下半部分葉輪轉(zhuǎn)動帶動一個金屬片切割磁力線，經(jīng)過整形放大形成脈沖信號，單片機記錄該脈沖信號并進行累加，通過液晶屏將用水量顯示在指示裝置，該方式要求水表在正常計量條件下需要外部電源或者電池進行供電，否則水表資料將全部丟失。 液封式遠傳直讀水表按水表的計數(shù)器是否浸入水中分為濕式水表和干式水表。典型的性能區(qū)別在于水表的表玻璃是否承受水壓

6、、水表機械傳感器與計數(shù)器的傳動是直接齒輪聯(lián)動還是磁鋼傳動。液封水表是濕式水表的一種，是將用于抄表的計數(shù)字輪或整個計數(shù)器用透明液體密封的水表，密封隔離的計數(shù)器內(nèi)的清晰度不受外部水質(zhì)的影響。兩種水表相比較，濕式水表具有更優(yōu)良的流量特性。直讀型遠傳水表是近年來開發(fā)出的產(chǎn)品，一般采用位置傳感器來識別水表的指示裝置上每一位字輪的讀數(shù)，將水表傳感器的位置信號轉(zhuǎn)換成電子代碼，直接讀取位置信號，達到讀取水表數(shù)據(jù)的目的，稱之為直讀水表。直讀水表一般只設(shè)計到1m³以上的抄讀數(shù)，字輪上的1，2，3，9，0十個數(shù)分別對應(yīng)不同的位置代碼，水表字輪在水流沖擊葉輪帶動轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)到一個位置，對應(yīng)一個電子代碼，相當于

7、一個機械內(nèi)存，平時不需要供電即可工作，只是在讀數(shù)據(jù)的時候供電即可。直讀型電子水表往往采用單片機和電子讀數(shù)模塊組合一起放在表內(nèi)，再通過數(shù)據(jù)總線進行聯(lián)網(wǎng)，通過信號線引出與抄表系統(tǒng)連成一回路。平時不工作也不用電，只有到要求抄讀的瞬間或一段時間，抄表系統(tǒng)發(fā)出抄讀指令、接通回路，才把當前的各字輪示值數(shù)通過電子轉(zhuǎn)換傳送給管理系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，通過光電發(fā)射管和光電接收管組成信號發(fā)送接收部分，水表字輪按照一定規(guī)則做成的有規(guī)律的機械處理，以便形成多組二進制編碼來讀取水表的數(shù)據(jù)，主流產(chǎn)品有光電透射式和光電反射式兩種類型。光電式直讀水表電子部分和水表的字輪不產(chǎn)生機械接觸，不存在磁干擾，穩(wěn)定性相對比較高，在實際應(yīng)用

8、中比較多。按水表國家標準GBT778.12007冷水水表  第1部分：規(guī)范的要求，水表可配置遠傳輸出系統(tǒng)，水表加上遠傳輸出裝置后不應(yīng)改變水表的計量性能。光電直讀式遠傳水表的計量性能、耐壓性能、壓力損失等均與普通表相差不大，完全滿足相關(guān)法規(guī)要求。 液封直讀遠傳水表的模式液封水表是水表的計數(shù)器浸入水中的水表，其表玻璃承受水壓，傳感器與計數(shù)器的傳動為齒輪聯(lián)動，用于抄表的計數(shù)字輪或整個計數(shù)器全部用一定濃度的甘油或其它透明液體配制密封的水表，密封隔離的計數(shù)器內(nèi)的清晰度不受外部水質(zhì)的影響，其余結(jié)構(gòu)性能與濕式水表相同。在做智能水表時，采用的方式是將計數(shù)器浸在水中，下半部分或上半部分留出一個隔離開的

9、空腔，在空腔內(nèi)放置電路板，把電路板隔離或用透明環(huán)氧樹脂灌裝，達到與水隔離，從而采集水表字輪數(shù)據(jù)。圖1 圖2上圖中是兩種安裝方式，圖1是下裝電路板，然后用環(huán)氧樹脂密封，圖2是上裝電路板，靠水表表殼和水隔離，電路板只工作在水表字輪下半部或水表字輪上半部分，直讀的光電傳感器是主要靠紅外光發(fā)射接收采集信號，光在一種介質(zhì)中是沿著直線傳播的，表殼采用的透明ABS和水的透射率基本相同，不會影響光的傳播，水表讀數(shù)比較可靠。圖1中電路板處于字輪下半部分，當字輪窗有氣泡時，氣泡會向上游動，對讀數(shù)影響很小，但電路板是靠環(huán)氧樹脂密封，生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜；圖2的電路板在字輪的上半部分，安裝比較方便，但對字輪進氣泡比較敏感

10、。水表機芯采用ABS材料，平時完全工作在水中，由于水的潤滑作用，幾乎沒有磨損，長期工作對水表流量沒有影響；水表表殼優(yōu)先采用銅殼，相比較球墨鑄鐵表殼，銅表殼在實際應(yīng)用中耐壓能力強，表殼內(nèi)幾乎不結(jié)水垢，不影響水表的計量特性，對水質(zhì)無污染，且回收利用價值高；不銹鋼表殼比較安全可靠，但加工難度大，成本高，不作為主要選用表殼。1.2 無線遠傳部分 1.2.1遠傳采用的方案在目前使用的智能化水表中，大部分廠家采用了有線傳輸方式，采用這種方式的好處是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，受外界干擾少，適合新建小區(qū)及改造比較簡單的小區(qū)；無線遠傳水表是采用無線傳輸?shù)哪Ｊ?，通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，代替人工抄表，更方便、更快捷。其組網(wǎng)

11、抄收方式可以達到有線傳輸方式的效果，施工時和普通機械水表類似，無需布線。對應(yīng)民用小口徑水表，較多的是采用470MHz510MHz專用抄表頻道，該頻段為短距無線通訊網(wǎng)絡(luò)，具有高可靠性，高數(shù)據(jù)安全性、實時性強、抗干擾能力強等特點，可實現(xiàn)高速、非視距的數(shù)據(jù)傳輸，特別適合舊城區(qū)的改造。 無線遠傳采用的技術(shù)無線模塊往往講的技術(shù)指標為靈敏度、發(fā)射功率、頻率范圍等等，很多廠家在推廣時提的是空曠傳輸距離，但是跟實際應(yīng)用關(guān)系比較密切的是穿墻能力，因為在實際應(yīng)用中，不可能把水表安裝在空曠無障礙物的地方，一個空曠距離能傳輸1000米的無線模塊，往往不一定能穿過8層水泥墻，所以，在實際研發(fā)時，考慮的是穿墻能力有關(guān)的發(fā)

12、射功率、接收靈敏度和工作頻率。眾所周知，頻率越低，波長相對越長，穿墻能力就越強，但是，太低的頻率容易受到干擾，所以抄表行業(yè)就選擇了470MHz510MHz專用抄表頻道。同樣條件下，無線模塊的發(fā)射功率越大傳輸?shù)木嚯x就越遠，穿墻數(shù)越多，但是太大的功率消耗的電流比較大，同時對其他設(shè)備造成的影響也比較大，同時相關(guān)的標準也要求單表發(fā)射功率不能超過10mW。相同的條件下，接收靈敏度高，相對傳輸?shù)木嚯x更遠，早期的芯片由于技術(shù)的限制，接收靈敏度并不是太高，近幾年的產(chǎn)品已經(jīng)有了很大的改善，如TI公司的CC1100，接收靈敏度能達到-110db，近兩年SILICON LABS公司提出的si4463無線芯片，接收靈

13、敏度能達到-126db，性能大大提高。但是單單提高某一項技術(shù)指標并不能解決所有問題，實際應(yīng)用中無論是發(fā)射功率提高、接收靈敏度提高還是頻率降低都不能解決穿墻數(shù)目少的問題，所有只能通過其他方式方式來滿足實際應(yīng)用的要求。無線水表要達到有線水表同樣的技術(shù)聯(lián)網(wǎng)要求，只有通過組網(wǎng)的方式來實現(xiàn)，組網(wǎng)可以采用中繼或自動組網(wǎng)的模式，該方案中采用的中繼的方式為主機在抄表時間到了之后，啟動抄表指令，喚醒下位水表，當下位水表接收到上位抄表指令后，判斷是抄本機水表的讀數(shù)還是中繼抄收其他水表的讀數(shù)，一個抄表網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點開始組建，其網(wǎng)絡(luò)組建無需外界干預(yù)，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上電后自動完成。一個自動組網(wǎng)抄表網(wǎng)絡(luò)最多可達1000個節(jié)點，

14、加之網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)大(水表間中繼，最大跳數(shù)可達8跳)，因此，自動組網(wǎng)的的通信覆蓋范圍將大大超出傳統(tǒng)的點對點與點對多點模式的覆蓋范圍，完全可以解決實際安裝使用中的穿墻屏蔽問題，達到和有線網(wǎng)絡(luò)相同的功能。每一只水表，在主機的管理下，實際上都可作為一個中繼器來使用，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的兼容能力。另外一種模式為自動組網(wǎng)模式，每一個模塊可以作為其它模塊的路由器，模塊根據(jù)和上位通信的資料自動檢測自身模塊信號強度，根據(jù)信號強度選擇通信路徑，組成網(wǎng)絡(luò)，該方式類似zigbee網(wǎng)絡(luò)，是需要用軟件的方式組建，需要花很大精力去做路由查詢，路由查詢的復(fù)雜成都取決于節(jié)點數(shù)量，隨著節(jié)點數(shù)量增加，路由查詢復(fù)雜度迅速上升，所以不予考慮。

15、為了減少無線模塊的電源消耗，無線水表采用定時啟動模式，每秒啟動模塊一次，在啟動后的幾十微秒時，監(jiān)聽到同頻率的無線喚醒指令時，完全喚醒模塊，等待和上位通訊，該模式可以和有線方式一樣做到實時響應(yīng)和抄表，采用該模式，配合低功耗單片機，讓無線模塊處于“Low sleep mode”，此時，模塊待機電流50nA，采用ER18505的電池，每天抄一次水表，理論上電池可以使用13年以上。2 水表超期使用狀況分析我國相關(guān)法律條例規(guī)定，居民的水表每6年為一個周期需要檢定一次，舊的居民小區(qū)無法進行大規(guī)模的開挖布線施工，水表的智能化升級改造非常困難，無線濕式直讀水表能最大限度的提高水表的靈敏度，做到計量產(chǎn)品的公平公

16、正，每天用水量的統(tǒng)計，無論是自來水公司還是居民，都能對數(shù)據(jù)做到一目了然，消除公眾對公共事業(yè)部門的管理不信任。但是在實際情況中，完全按照每6年水表進行周期檢定的水表很少，采用該無線濕式直讀水表后，實際運行中對水表流量指標進行分析，水表的流量指標大部分是滿足要求的，也就是說，該水表超一個周期使用是可以接受的。對于電子部分，直讀模塊完全工作在環(huán)氧樹脂密封狀態(tài)中，平時不工作，2個水表使用周期的使用年限完全能滿足；無線電子部分，工作在全密封電子腔內(nèi)，無外界環(huán)境影響，完全能滿足周期使用的要求；電池工作在超低功耗狀態(tài)下，采用容量型電池，沒有功率型鋰亞電池的鈍化現(xiàn)象，使用壽命能滿足周期的要求。濕式旋翼水表采用

17、的活動部件(葉輪、葉輪盒組件等)一般用工程塑料ABS材料制造，比較耐磨。在容易磨損部件上采用了耐磨處理，水表連續(xù)通水試驗后比較容易損傷的是翼輪軸尖、翼輪軸齒輪和傳動齒輪中的第一個齒輪，下圖是水表在過載流量下200小時之后，水表的誤差變化曲線如下對比圖3。圖3 在實驗室中的試驗中，旋翼式水表在使用了相當于10年以上的用水量后，計量性能并無大的失準(可在4內(nèi))，整個誤差特性曲線向下偏移，即在小流量、大流量下水表走字全部變慢。 但對實際用表的情況統(tǒng)計表明，民用小口徑水表多年使用后的情況并沒有那么理想，多數(shù)情況是多年使用后的水表在小流量下走慢，而在大流量下卻變快。據(jù)分析，主要原因是水中雜質(zhì)堵塞濾網(wǎng)后形成的單邊沖擊葉輪等效果形成。這是國內(nèi)自來水管網(wǎng)中水質(zhì)不干凈造成的，跟水表本身質(zhì)量并無直接關(guān)系。 3 結(jié)束語目前國家全面推動產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的規(guī)劃，能源的管理與利用也越來越變的重要，并納入了國家重點項目之中，同時隨著人工成本高的上升以及國家提出的經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變，針對水表智能化的采集與管理提出了更高的要求，融入物聯(lián)時代實現(xiàn)智能有效的管理已成必然。無線遠傳水表是一種新型水表，