摘要： 本文對我國水表自動抄表系統的技術現狀以及發展趨勢作了評述與討論。提出了傳感技術、傳輸與組網技術、微功耗設計及電源技術、水表基表技術等領域將是水表自動抄表系統今后一段時間內的發展重點。

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 .

關鍵詞：水表  水表自動抄表系統  技術現狀  發展趨勢

Keyword:  Water meter    Automatic metering reading for water meter    Technique actuality

Development  tendency

 

一．概述

淡水作為一種緊缺資源，正在受到人們的日益關注和重視。水表產品在住宅、商用和工農業用水計量方面的重要作用也已得到社會各界的普遍認同。除計量功能外，將水表讀數及時、準確記錄下來進行有效傳送、處理和結算，同樣至關重要。

經過水表行業有識之士十幾年來的研究、改進和發展，已為我國供水行業開發了一批具有較好使用價值、能基本滿足要求的水表自動抄表系統產品，并在多年實踐中積累了許多有益經驗和教訓，為不斷開發性能更完善、功能更強大、可靠性更高、使用壽命更長、價格更趨合理的新穎水表自動抄表系統產品打下了堅實基礎。

水表自動抄表系統是一門綜合性技術，包含了信號傳感、數據處理、數據傳輸、數據管理等內容；涉及到水表基表技術、傳感技術、信號處理技術、計算機技術、通信技術、網絡技術、電源技術等領域。

 

二．技術現狀

GB/T 778.1～3-2007標準將水表在技術和結構上分成“機械水表”、“帶電子裝置水表”和“電子水表”三大類。帶電子裝置水表是以速度式或容積式機械水表為基表，增加電子部件，使其具有流量測量參數（如葉輪轉速）的傳感采集、運算處理以及數據交換等功能，以滿足用水量的自動抄讀和水費收繳管理等需要。

水表自動抄表系統由軟、硬件兩部分組成。硬件部分主要有：帶電子裝置水表、網絡設施、數據集抄裝置以及終端設備等，軟件部分主要有：嵌入式數據處理軟件、網絡管理軟件、數據傳輸及收費管理軟件等。

1.    采用的主要技術

我國水表自動抄表系統產品經過十幾年的發展、提高和改進，已初步形成了比較完整的產品技術體系。特別是在流量測量信號的傳感采集，數據傳輸的安全高效，以及產品的可靠性、壽命、性價比等方面均已取得長足進步。目前采用的主要技術及特征：

（1）信號傳感與采集技術

分線制脈沖傳感采集方式

通過水表葉輪或計數指針發訊，輸出與水流量成比例的脈沖信號；每個水表均需獨立設置外部專線，經戶外采集器對脈沖累加后求得實際用水量；鋪線工程量大，脈沖易受內部和外界干擾影響；線路故障或斷電可使信號中斷，數據恢復困難；使用可靠性低，安裝維護成本高；水表機械讀數與遠傳數據很難完全一致。

總線制脈沖傳感采集方式

通過水表葉輪或計數指針發訊，輸出與水流量成比例的脈沖信號；表內設有計算機芯片和電池（也可用總線供電方式），內部累加并存儲脈沖數和實際用水量；測量時水流體的振動、沖擊等影響易使輸出脈沖計數不準；水表機械讀數與遠傳數據很難完全一致。

總線制直讀傳感采集方式

字輪編碼方式：通過對機械計數器字輪位置的絕對編碼，使字輪讀數與編碼輸出信號完全一致；表內設有計算機芯片，但無須內置電源；戶外采集器采集信號時向水表供電，讀出用水（編碼）數據；可靠性高，成本低，電磁兼容性強；編碼器生產工藝要求較高。

圖像傳感方式：通過表外圖像傳感器將機械字輪讀數拍攝下來，利用總線將圖像信號傳輸到戶外采集器；水表內無電源，信號采集時向傳感器供電獲取讀數圖像；傳感器安裝方便；圖像數據及存儲量大，對傳輸和系統要求較高；圖像轉換和識別軟件復雜。

（2）數據傳輸與網絡技術

有線數據傳輸與組網方式

以RS485或M-BUS總線組成的若干級有線自組網為內網，以電話公用網（PSTN）或無線公用網（如：GSM、GPRS、CDMA等）、以及手抄器組成的有線網絡數據傳輸體系。區域內以有線網為主，區域外以公用網作為信息傳輸通道。技術比較成熟；區域內布線量大，安裝維護成本高。

以電力線作為信號傳輸載體的應用探索也在進行之中。

無線數據傳輸與組網方式

以短距、低功耗無線通信技術為主體構成數據傳輸體系。區域內參照無線傳感器網絡（WSN）的某些技術進行組網，區域外仍以公用網作為信息傳輸通道。區域內不需布線，安裝維護方便，組網成本低；數據易受電磁干擾影響，表內需自帶電源，網絡標準不統一；商業應用在技術上有待進一步成熟。 

（3）網絡數據管理技術

數據傳輸通信協議

數據傳輸協議目前執行建設部《戶用計量儀表數據傳輸技術條件》（CJ/T 188-2004）標準。“傳輸技術條件”規定了戶用儀表（包括水表等）集中抄表系統中物理層和數據鏈路層協議，對主站與從站之間的物理接口及其特性、信息交換幀的組成以及流量和差錯控制等作出了具體規定。

數據傳輸安全管理

數據發送前要求對數據進行加密，接收后對數據進行解密。采用電子密本（ECB）方式進行加密運算后發送數據，加密算法采用秘密密鑰的64bit分組的標準密碼算法。

（4）電源供電技術

表內供電方式

以高能鋰電池供電為主。帶電控閥水表為可靠關閥，一般采用兩節鋰電池分“強”、“弱”回路供電；也有采用超級電容器平時充電，關閥時放電等方式。

外部供電方式

由外部集中器或采集器通過總線向水表供電。集中器或采集器一般采用大容量電池或經交流電源變換成直流后獲取電能。

2．存在的主要問題

帶電子裝置水表的性能是制約水表自動抄表系統計量特性及其可靠性提升的關鍵因素。這方面的突破有待于機械水表以及傳感技術的完善和創新。

短距無線通信技術也是目前的技術難點。它的出現既可解決有線網絡布線的不方便和不經濟，但也帶來了信號傳輸的不可靠和電池使用壽命等問題。

供電問題是帶電子裝置水表的最大瓶頸之一。它影響到水表自動抄表系統的普及應用，也給產品設計帶來了許多困難。

 

三．發展趨勢

經過多年來的實踐，行業內外對水表自動抄表系統發展趨勢的認識正在逐步統一。雖然尚有某些分歧和不同意見存在，但對整體技術發展趨勢看法還是比較一致，即：分線制向總線制發展，脈沖采集方式向字輪數據直接讀出方式發展，有線數據傳輸逐步向無線數據傳輸發展，以及表具與數據傳輸的微功耗、基表性能及可靠性的提升等等。技術的發展重點主要體現在以下幾方面：

（1） 傳感技術

通過測量計數器字輪位置，將字輪讀數轉化為數字量編碼形式輸出。其中準確的編碼方式和算法、可靠的絕對式編碼器、以及規范的生產裝配工藝則是保證信號傳感、采集有效與可靠的前提。

常用編碼方式有：二進制碼、格雷碼、單道簡碼等（目前國內已有多種編碼技術被授于專利權）；編碼信號傳感方式有：直射式或反射式光電傳感方式、電渦流傳感方式、接觸式電位傳感方式等等；供電方式：基表內無電池，信號采集時由總線瞬時供電。

通過圖像傳感方式獲取字輪編碼數據也是一種有發展前景的傳感技術。

（2）傳輸與組網技術

有線組網方式：采用M-BUS、RS485總線技術和數據通信協議，保證數據傳輸的可靠性和安全性。數據的加、解密及抗干擾技術的用運，是有線組網技術的關鍵。

無線組網方式：在現有短距、低功耗、非標準的自組網技術基礎上向有標準通信協議、網絡功能強大、抗干擾和兼容性好、表具微功耗和組網成本低的方向發展。值得關注的短距、低速率、微功耗無線傳感網絡技術有：紫蜂（Zigbee）、超低功耗藍牙(ULP)、Z-Wave等。它們具有水表自動抄表系統所希望的基本特性，如：超低功耗數據抄讀與傳輸、超低成本、具有無線通信標準化和網絡拓撲管理、高安全性和可靠性、短距離和高容量通信、免執照頻段、采用直接序列擴頻技術（DSSS）提高信噪比等等。

（3） 微功耗設計及電源技術

大部分帶電子裝置水表（如：總線制脈沖采集水表、無線組網水表、卡式水表、熱量表等）工作時均需自備電池供電，為確保水表工作可靠常將電池設計成不可更換方式。采用微功耗電路設計及省電算法是延長電池使用壽命的有效出路。

高容量電池（如新型鋰電池、燃料電池等）的開發和產業化，必將為帶電子裝置水表提供使用壽命更長、體積更小的電源；利用光能、水能、無線電能等的發電、儲電和供電技術也是今后解決水表自動抄表系統供電的重要研究方面。

（4）水表基表技術

 水表的主要功能是對水流量的正確、可靠計量，因此提高水表基表的各項技術指標是確保水表自動抄表系統有效工作的重要保證。應在：流量測量范圍、小流量計量特性、計量準確度、使用可靠性及壽命等方面進行全面提升。中、小口徑電子水表（如：電磁水表、射流水表、超聲水表、渦街水表等）由于測量管內無運動部件、壓力損失小、測量范圍寬、準確度高等特性，下一步作為水表自動抄表系統的基表有著良好的發展前景。

 

四．結語

    水表自動抄表系統是近十幾年發展起來的新興技術，雖然經過多方努力在各個技術領域和技術層面上做了很多工作，并在各地住宅小區進行了大量有益的實踐活動，總結了許多寶貴經驗和教訓。但從總體上說該項技術還處在發展和完善階段，有待于進一步的創新與提高。

    隨著水表基表技術、傳感技術、無線通信技術、網絡傳輸技術、電源技術的發展與成熟，以及水資源管理力度的加大和智能小區工程推進速度的加快，作為用水計量器具和數據遠傳管理工具的水表自動抄表系統，必定有很廣闊的應用前景和良好的發展空間。

 

 

主要參考文獻：

1.   GB/T 778.1～3-2007《飲用冷水水表和熱水水表》.北京：中國標準出版社.2008.

2.   CJ/T 188-2004《戶用計量儀表數據傳輸技術條件》.北京：中國標準出版社.2004.

3.   CJ/T 224-2006《電子遠傳水表》.北京：中國標準出版社.2006.

4.   JG/T 162-200X《住宅遠傳抄表系統》(征求意見稿).北京.2007.

5.   瞿雷、劉盛德等.Zigbee技術及應用.北京：北京航空航天大學出版社.2007.

6.   姚靈.中國智能水表發展趨勢及自動抄表系統實踐.中國水、電、氣·超越AMR國際研討會.2007，（11）.

7.   姚靈.電子水表傳感與信號處理技術綜述.中國水表工作委員會智能水表論文專輯,2008.

8.   李志明.電子遠傳水表及集中抄表系統的應用探討.中國水表工作委員會智能水表論文專輯，2008.