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閱讀：306發(fā)布時(shí)間：2021-12-29
隨著技術(shù)的發(fā)展、生活條件的不斷改善，住宅的智能化要求日益提高，一戶一表的推行，多費(fèi)率水價(jià)的實(shí)施以及用水管理部門出于對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及收費(fèi)管理的需要，都要求對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式水表及上門人工抄表方式進(jìn)行變革，實(shí)現(xiàn)水表的數(shù)字化和自動(dòng)抄表。水表的數(shù)字化工作和自動(dòng)抄表系統(tǒng)已經(jīng)過實(shí)施和使用，但由于種種原因，絕大多數(shù)自動(dòng)抄表系統(tǒng)都未能正常運(yùn)行，最后只好恢復(fù)原來的機(jī)械式水表和人工抄表，造成了很大的人力和財(cái)力浪費(fèi)。造成失敗的原因，主要是現(xiàn)有的機(jī)械水表的數(shù)字化方法存在致命的缺陷。本文提出了一種新型的機(jī)械水表的數(shù)字化方法－—直讀式水表及抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。
1 水表的數(shù)字化技術(shù)
水表數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)問題是能否正確地把機(jī)械計(jì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電子讀數(shù)，即傳感器技術(shù)是否可靠和具有很強(qiáng)的抗力。
常用的水表傳感技術(shù)主要有干簧管傳感器、霍爾傳感器、韋根傳感器、光電傳感器。這些傳感技術(shù)都是通過傳感器變換、累計(jì)暫存、傳送數(shù)據(jù)三步來完成數(shù)字化自動(dòng)抄表的。用水表某位指針或齒輪鑲嵌磁性材料先把計(jì)量數(shù)字變成電脈沖信號(hào)，然后單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、累加、存儲(chǔ)和傳送，最后傳到上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)傳抄表。在整個(gè)過程中，水表不能脫離電源的支持，必須維持穩(wěn)定、可靠、不間斷的供電。因此這類水表統(tǒng)稱為有源發(fā)訊水表或脈沖水表，都屬于有源表。一個(gè)計(jì)量數(shù)據(jù)，通過上述三個(gè)過程最后得到的數(shù)據(jù)和表具指示數(shù)不一致，其中每個(gè)環(huán)節(jié)都可能出錯(cuò)，特別是傳感器變換和累計(jì)暫存錯(cuò)的機(jī)會(huì)較多，而且一旦有錯(cuò)就無法糾錯(cuò)，而產(chǎn)生脈沖誤差原因有很多：機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾、供電問題、表具倒轉(zhuǎn)、退磁等，只要有一點(diǎn)產(chǎn)生錯(cuò)誤，累積誤差永遠(yuǎn)地被保存在結(jié)果中。因此，有源抄表系統(tǒng)存在如下諸缺點(diǎn)：
① 易受電磁干擾、盜用、破壞；
② 初始化及維護(hù)工作量大；
③ 電能消耗，維護(hù)費(fèi)用可觀。
從有源脈沖表存在的以上缺陷可知，如果不對(duì)水表傳感技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，則無法從根本上解決問題。首先應(yīng)解決不間斷的供電電源問題，改為只在要抄表時(shí)加電而平時(shí)不用電源。其次解決脈沖累積方法造成的差錯(cuò)，改為讀取水表的數(shù)據(jù)，即讀即送把累計(jì)暫存環(huán)節(jié)去掉。再則傳感器采用無磁性材料，最后上傳的數(shù)據(jù)信息不再是脈沖信息。根據(jù)上述思路本文提出了一種新型的水表數(shù)字化方法，即無源直讀數(shù)字化方法，使得抄表系統(tǒng)在工作可靠、抄送準(zhǔn)確、免維護(hù)三大核心技術(shù)問題上取得了重大突破。“無源”的含義是，平時(shí)不向水表和通信網(wǎng)絡(luò)供電，需要抄表時(shí)才供電。“直讀”的含義是，讀出的數(shù)據(jù)都與水表表盤上的數(shù)據(jù)同步。“數(shù)字”的含義是，傳送的是水表示數(shù)據(jù)而不是脈沖信息。
2 無源直讀水表工作原理
能夠在無電的情況下也能夠把機(jī)械讀數(shù)轉(zhuǎn)化為電子讀數(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)是式編碼，通過編碼識(shí)別字輪的位置。字輪上有從0到9的10個(gè)數(shù)字，為了識(shí)別這10個(gè)數(shù)字采用計(jì)算機(jī)中的信息編碼技術(shù)，用4個(gè)bit來表示16個(gè)不同信息，因此10個(gè)數(shù)字可以用4位編碼來表示。在一個(gè)字輪上用4個(gè)圓周很容易實(shí)現(xiàn)0~9的編碼，但是我們要注意到一個(gè)事實(shí)，字輪本身比較小，在一個(gè)字輪上安排4個(gè)圓周的編碼原理上雖然可行，但實(shí)用性太差。所以，是在1個(gè)圓周上實(shí)現(xiàn)式編碼。
①式編碼的實(shí)現(xiàn)
在水表計(jì)數(shù)的每個(gè)字輪的一側(cè)安裝若干個(gè)感應(yīng)裝置，另一側(cè)在與感應(yīng)裝置相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有若干組傳感器件，如圖1所示。傳感器焊接在線路板上，按照一定的規(guī)則在同一圓周上分布，線路板保持固定不動(dòng)，如圖3、4所示。每個(gè)字輪的同一圓周上按照一定的規(guī)則挖出若個(gè)透光孔，如圖2所示。當(dāng)水表字輪隨著用戶用水而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在傳感器的感應(yīng)器之間必然出現(xiàn)透空和隔斷的情況，則可通過判斷傳感器與感應(yīng)裝置的對(duì)應(yīng)狀態(tài)來確定字輪的位置，從而得到要讀出的數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器和感應(yīng)裝置之間處于隔斷的位置時(shí)，感應(yīng)裝置輸出的信號(hào)設(shè)為高電平；當(dāng)傳感器和感應(yīng)裝置之間處于透空的位置時(shí)，感應(yīng)裝置輸出的信號(hào)設(shè)為低電平。一個(gè)字輪所有感應(yīng)裝置的輸出構(gòu)成了這個(gè)字輪的角度信息編碼，從而可得到字輪上的數(shù)字。把識(shí)別的數(shù)據(jù)通過儀表總線向上發(fā)送或用液晶顯示，就可實(shí)現(xiàn)機(jī)械水表的數(shù)字化。
圖1 水表計(jì)數(shù)器
圖2 字輪
采用式編碼數(shù)字化水表平時(shí)不需采集信號(hào)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所以不需要供電，只有當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候才通電，這樣*避免了外界的電干擾，也不用擔(dān)心停電丟失數(shù)據(jù)、機(jī)械讀數(shù)與電子讀數(shù)不同等情況，實(shí)現(xiàn)無源直讀功能。
圖3 線路板1
圖4 線路板2
②信息編碼規(guī)則
一個(gè)編碼系統(tǒng)中任意兩個(gè)合法編碼（碼字）之間不同的二進(jìn)制數(shù)位（bit）數(shù)叫這兩個(gè)碼字的碼距，而整個(gè)編碼系統(tǒng)中任意兩個(gè)碼字的碼距，而整個(gè)編碼系統(tǒng)中任意兩個(gè)碼字的最小距離就是該編碼系統(tǒng)的碼距即海明距離。在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中，信息是已知的，信息編碼的作用是進(jìn)行校驗(yàn)和糾錯(cuò)，因此信息編碼的海明距離要求大于3，才能對(duì)編碼進(jìn)行校驗(yàn)和糾錯(cuò)。而是水表數(shù)字化中采用的編碼信息要從傳感器中獲得，是未知，一旦獲得信息，編碼也就確定了。而傳感器存在個(gè)體差異、水表裝配、加工存在偏差，當(dāng)信息編碼海明距離大于1時(shí)，任意兩個(gè)合法編碼之間不同的二進(jìn)制數(shù)位會(huì)發(fā)生好幾種變化，由于受到成本的限制，采用的傳感器個(gè)數(shù)有限，而這些變化可能會(huì)引起編碼的重疊，造成誤讀。因此水表數(shù)字化編碼的海明距離取1，相鄰的碼字只由一個(gè)數(shù)字位相互區(qū)分開，也就是，在相鄰的信息組中，二進(jìn)制信息間的小差別或距離只是一比特的變化。
③傳感裝置的確定
為了正確無誤地識(shí)別0到9等10個(gè)數(shù)字，理論上采用4對(duì)傳感裝置即可識(shí)別10個(gè)不同的信息，但是注意到低位字輪在從9到0轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，機(jī)械讀數(shù)可能處于臨界位置，同時(shí)根據(jù)編碼規(guī)則要求相鄰信息之間的海明距離為1，所以，一個(gè)字輪至少需要5對(duì)傳感裝置，傳感器跨度要大于90度，且安裝在同一圓周上，這樣可保證傳感器的輸出信號(hào)中既有高電平，又有低電平。如圖3、4,我們按照36度等間隔安裝5個(gè)傳感器。
④字輪透空的處理
字輪進(jìn)行透空處理可保證傳感器的輸出信號(hào)有高、低電平。透空原則：a傳感器輸出形成的編碼不能有重疊；b相鄰編碼之間的海明距離為1；c在同一圓周上；d至少能形成10個(gè)以上的不同編碼。如圖2所示，為數(shù)字8、9、0、1、2對(duì)應(yīng)的圓周上的透空。
3 無源直讀水表的特點(diǎn)
① 一維式編碼，占用字輪的面積少，易加工；
② 一維編碼的誤差容易計(jì)算和控制，有利于設(shè)計(jì)傳感器的安裝位置和檢測(cè)方法；
③ 海明距離為1的編碼，有利于識(shí)別；
④ 無源直讀水表日常工作無需供電，避免了由于供電不穩(wěn)定、不可靠或故障引起的計(jì)量誤差及大量的維護(hù)工作；
⑤ 自動(dòng)記憶碼輪位置。不是脈沖累加式計(jì)量，無需初始化，抄表系統(tǒng)維護(hù)工作量少；
⑥ 數(shù)碼傳送。在接收方可利用校驗(yàn)碼進(jìn)行誤碼判斷，如錯(cuò)則要求水表重發(fā)，所以在復(fù)雜的使用環(huán)境下能穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)計(jì)量；
⑦ 機(jī)械讀數(shù)和電子讀數(shù)保持一致。不存在因累計(jì)誤差或水表倒轉(zhuǎn)而引起兩者讀數(shù)不一致的情況；
⑧ 傳感器是無磁非接觸式的。不存在外界磁干擾引起讀數(shù)不準(zhǔn)的情況，電子讀數(shù)裝置不影響原來一次儀表的計(jì)量精度。
4 無源自動(dòng)抄表系統(tǒng)
無源自動(dòng)抄表系統(tǒng)的主要包括。無源直讀式水表、M-Bus總線、集中器、手持式抄表器等構(gòu)建成層網(wǎng)絡(luò)；集中器、通訊器、調(diào)制解調(diào)器、RS485總線等構(gòu)建成第二層網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器作為第三層網(wǎng)絡(luò)，三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成整個(gè)無源自動(dòng)抄表系統(tǒng)。手持式抄表器、計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)分別經(jīng)紅外接口、電話網(wǎng)與集抄器相接，集抄器經(jīng)4線制485總線與若干個(gè)集中器相接，而若干個(gè)集中器又分別經(jīng)2線制M－Bus總線與若干個(gè)無源直讀式水表相接。實(shí)現(xiàn)微功耗的自動(dòng)抄表網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案是：①如圖5，采用3層結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，其中的關(guān)鍵設(shè)備是集中器，集中器對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，如果屬于它下面水表，集中器閉合繼電器，打開下行M－Bus總線的電源和信號(hào)回路，否則丟棄不理。這樣同時(shí)工作的設(shè)備降為最少。②選擇低功耗的元器件。③采用開關(guān)技術(shù)。例如，每個(gè)1秒打開系統(tǒng)電源，并保持1毫秒，判斷系統(tǒng)是否要正常工作，如果不需要，則立刻關(guān)掉系統(tǒng)電源，并進(jìn)入掉電狀態(tài)，以進(jìn)一步降低平均工作電流。
圖5 無源自動(dòng)抄表系統(tǒng)
5 結(jié)束語
根據(jù)上述思路，我們已成功地開發(fā)出干式無源直讀式水表和系統(tǒng)樣機(jī)。經(jīng)試驗(yàn)，讀數(shù)的準(zhǔn)確性令人滿意，但產(chǎn)品對(duì)制造工藝、裝配工藝的緊密性要求比較高，目前還只限應(yīng)用于干式水表中。我們相信，隨著無源數(shù)字化編碼技術(shù)的成熟，制造工藝、裝配工藝水平的提高，必能克服此缺陷，應(yīng)用到所有帶有字輪技術(shù)器的表具上，從而推動(dòng)自動(dòng)抄表技術(shù)的健康發(fā)展。
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