1、無線液封遠傳水表在舊城改造中的應用蘇州自來水表業有限公司 姚福江 董桂茜 葉劍 吳帥0 引言隨著網絡技術的發展，科技的進步，所有的生產生活方式都在改變，特別是近幾年，物聯網技術的發展進步，一方面可以提高經濟效益，大大節約成本；另一方面可以為全球經濟的復蘇提供技術動力。對于水表行業而言，傳統的水表行業存在著諸多問題。例如抄表難，人情表，難以統計分析資料等。新興的水表行業應運而生，更多的新型水表也被研發出來，各種各樣的智能水表可作為物聯網的一個節點，在建設智慧城市、智慧化小區上具有重要意義。2014年1月3日，國家發改委、住建部印發關于加快建立完善城鎮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。遠傳水表在國內從普通的脈沖發訊水表發展到現在具有遠傳、電子顯示、閥門控制等功能的智能化水表，在功能上已經逐步完善，但在安裝使用上仍存在布線困難，讀數不準確，系統不夠穩定等問題。在老舊小區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改造、有線水表線路破損無法修復的施工難題，減少線材使用，同時降低施工成本。該方案采用的無線技術，解決傳輸距離短、穿墻信號衰減、電池使用壽命的問題；針對傳統遠傳水表數據采集存在的問題，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，讀取的數據穩定可靠，水表字輪

3、位置相當于內存。本文詳細介紹整個方案的構成，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，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；抄收系統部分主要包括抄收設備和后臺軟件系統。1.1 液封直讀基表部分1.1.1 遠傳水表的發展國內遠傳水表從上世紀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，水表每轉動一定水量，產生一個信號脈沖，將這個脈沖統一起來采集，行業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

4、理，根據法拉第電磁感應定律制造的用來測量管內導電介質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，所以沒有大規模流行。直到上世紀90年代中后期，這一技術和超聲波水表開始占有一定市場，主要用于大口徑水表。目前國內市場上生產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是在原來普通機械水表上安裝磁感應元器件，當水表中有水流通過，磁感應器件輸出脈沖信號，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，通過光電管的發射和接收讀取字輪的狀態，根據字輪的狀態即可讀出水表的讀數，即通過直接讀取的方式采集

5、水表的數據，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，下半部分葉輪轉動帶動一個金屬片切割磁力線，經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。1.1.2 液封式遠傳直讀水表按水表的計數器是否浸入水中分為濕式水表和干式水表。典型的性能區別在于水表

6、的表玻璃是否承受水壓、水表機械傳感器與計數器的傳動是直接齒輪聯動還是磁鋼傳動。液封水表是濕式水表的一種，是將用于抄表的計數字輪或整個計數器用透明液體密封的水表，密封隔離的計數器內的清晰度不受外部水質的影響。兩種水表相比較，濕式水表具有更優良的流量特性。直讀型遠傳水表是近年來開發出的產品，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，將水表傳感器的位置信號轉換成電子代碼，直接讀取位置信號，達到讀取水表數據的目的，稱之為直讀水表。直讀水表一般只設計到1m³以上的抄讀數，字輪上的1，2，3，9，0十個數分別對應不同的位置代碼，水表字輪在水流沖擊葉輪帶動轉動，每轉到一個位置，對應

7、一個電子代碼，相當于一個機械內存，平時不需要供電即可工作，只是在讀數據的時候供電即可。直讀型電子水表往往采用單片機和電子讀數模塊組合一起放在表內，再通過數據總線進行聯網，通過信號線引出與抄表系統連成一回路。平時不工作也不用電，只有到要求抄讀的瞬間或一段時間，抄表系統發出抄讀指令、接通回路，才把當前的各字輪示值數通過電子轉換傳送給管理系統。在實際應用中，通過光電發射管和光電接收管組成信號發送接收部分，水表字輪按照一定規則做成的有規律的機械處理，以便形成多組二進制編碼來讀取水表的數據，主流產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生機械接觸，不存在磁干擾，穩定性相

8、對比較高，在實際應用中比較多。按水表國家標準GBT778.12007冷水水表  第1部分：規范的要求，水表可配置遠傳輸出系統，水表加上遠傳輸出裝置后不應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，完全滿足相關法規要求。1.1.3 液封直讀遠傳水表的模式液封水表是水表的計數器浸入水中的水表，其表玻璃承受水壓，傳感器與計數器的傳動為齒輪聯動，用于抄表的計數字輪或整個計數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，密封隔離的計數器內的清晰度不受外部水質的影響，其余結構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器浸在水中，下半

9、部分或上半部分留出一個隔離開的空腔，在空腔內放置電路板，把電路板隔離或用透明環氧樹脂灌裝，達到與水隔離，從而采集水表字輪數據。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射接收采集信號，光在一種介質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，對讀數影響很小，但電路板是靠環氧樹脂密封，生產工藝相對復雜；圖2的電路板在字輪的上半部分，安裝比

10、較方便，但對字輪進氣泡比較敏感。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；水表表殼優先采用銅殼，相比較球墨鑄鐵表殼，銅表殼在實際應用中耐壓能力強，表殼內幾乎不結水垢，不影響水表的計量特性，對水質無污染，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穩定可靠，受外界干擾少，適合新建小區及改造比較簡單的小區；無線遠傳水表是采用無線傳輸的模式，通過無線方式將數據發送出去，代替人

11、工抄表，更方便、更快捷。其組網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絡，具有高可靠性，高數據安全性、實時性強、抗干擾能力強等特點，可實現高速、非視距的數據傳輸，特別適合舊城區的改造。1.2.2 無線遠傳采用的技術無線模塊往往講的技術指標為靈敏度、發射功率、頻率范圍等等，很多廠家在推廣時提的是空曠傳輸距離，但是跟實際應用關系比較密切的是穿墻能力，因為在實際應用中，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

12、，在實際研發時，考慮的是穿墻能力有關的發射功率、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，所以抄表行業就選擇了470MHz510MHz專用抄表頻道。同樣條件下，無線模塊的發射功率越大傳輸的距離就越遠，穿墻數越多，但是太大的功率消耗的電流比較大，同時對其他設備造成的影響也比較大，同時相關的標準也要求單表發射功率不能超過10mW。相同的條件下，接收靈敏度高，相對傳輸的距離更遠，早期的芯片由于技術的限制，接收靈敏度并不是太高，近幾年的產品已經有了很大的改善，如TI公司的CC1100，接收靈敏度能達到-110db，近兩年SILICON LAB

13、S公司提出的si4463無線芯片，接收靈敏度能達到-126db，性能大大提高。但是單單提高某一項技術指標并不能解決所有問題，實際應用中無論是發射功率提高、接收靈敏度提高還是頻率降低都不能解決穿墻數目少的問題，所有只能通過其他方式方式來滿足實際應用的要求。無線水表要達到有線水表同樣的技術聯網要求，只有通過組網的方式來實現，組網可以采用中繼或自動組網的模式，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還是中繼抄收其他水表的讀數，一個抄表網絡由主節點開始組建，其網絡組建無需外界干預，由網絡節點上電后自動完成。一個

14、自動組網抄表網絡最多可達1000個節點，加之網絡跳數大(水表間中繼，最大跳數可達8跳)，因此，自動組網的的通信覆蓋范圍將大大超出傳統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，達到和有線網絡相同的功能。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，大大提高了網絡的兼容能力。另外一種模式為自動組網模式，每一個模塊可以作為其它模塊的路由器，模塊根據和上位通信的資料自動檢測自身模塊信號強度，根據信號強度選擇通信路徑，組成網絡，該方式類似zigbee網絡，是需要用軟件的方式組建，需要花很大精力去做路由查詢，路由查詢的復雜成都取決于節點數量，隨著節點數量增加

15、，路由查詢復雜度迅速上升，所以不予考慮。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法律條例規定，居民的水表每6年為一個周期需要檢定一次，舊的居民小區無法進行大規模的開挖布線施工，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

16、的提高水表的靈敏度，做到計量產品的公平公正，每天用水量的統計，無論是自來水公司還是居民，都能對數據做到一目了然，消除公眾對公共事業部門的管理不信任。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氧樹脂密封狀態中，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，無外界環境影響，完全能滿足周期使用的要求；電池工作在超低功耗狀態下，采用容量型電池，沒有功率型鋰亞電池的鈍化現象，使

17、用壽命能滿足周期的要求。濕式旋翼水表采用的活動部件(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)，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。據分析，主要原因是水中雜質堵塞濾網后形成的單邊沖擊葉輪等效果形成。這是國內自來水管網中水質不干凈造成的，跟水表本身質量并無直接關系。 3 結束語目前國家全面推動產業戰略轉型的規劃，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濟增長方式的轉變，針對水表智能化的采集與管理提出了更高的要求，融入物聯時代實現智能有效的管理已成必然。無線遠傳水表是一種新型水表