基于傳感網(wǎng)技術(shù)設計的無線智能抄水表系統(tǒng)，系統(tǒng)保留傳統(tǒng)的機械水表，采用零功耗傳感器WG112把水表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為脈沖信號，通過設計的低功耗智能水表測試水表讀數(shù)，各用戶的智能水表以無線方式組成一智能傳感網(wǎng)，在抄表人員無須進入室內(nèi)的情況下，采用手持抄表器采集用戶水表讀數(shù)，實現(xiàn)自動、的智能抄水表方式；同時，抄表器可通過USB接口與電腦連接，電腦中采用LabVIEW軟件編寫的程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)顯示、打印、上網(wǎng)等處理，終端通過網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)查詢和顯示。
1 系統(tǒng)設計方案選擇
    實現(xiàn)抄水表系統(tǒng)的智能化關(guān)鍵問題是解決信號的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。
    針對國內(nèi)水表使用現(xiàn)狀——大多采用機械水表計量，為減少改造成本，采用的方法是在現(xiàn)有水表的物理結(jié)構(gòu)，不改變國家計量標準的基礎上加裝傳感器，在保留原有機械計量的基礎上，具有計量信息的遠傳功能，即氣體流量計與電子智能計量同步，兩者達到精度、智能化的結(jié)合。目前加裝傳感器裝置比較常用的方法是采用磁敏傳感器和光電開關(guān)，采用磁敏傳感器改造方便，使用壽命長，但抗電磁*力差，采用光電開關(guān)抗*力強，但能耗大；而智能水表在居民戶內(nèi)，不能采用市電，能耗是重要考慮的因素，因此設計中在解決抗電磁干擾的基礎上，采用零功耗磁敏傳感器把機械水表中葉輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。
   智能流量積算儀技術(shù)目前常采用以下三種方法：一是智能卡水表，通過預付費卡用水，不實行抄表聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)解決收費難、少收費等問題，但如智能卡水表計量部分或控制部分失靈，由于不存在監(jiān)控，勢必造成供水企業(yè)的直接經(jīng)濟損失等問題。二是有線集中抄表，每戶的水表單獨出現(xiàn)連接至數(shù)據(jù)采集器，然后由數(shù)據(jù)采集器統(tǒng)一收集與處理數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)能解決集中供電問題，缺點是：施工工作量大，安裝維護成本高；一旦出現(xiàn)故障，使得系統(tǒng)無法工作。三是采用網(wǎng)絡通信傳輸方式。使用線、無線射頻、電力線等方式，這些方式功能強、擴展靈活，但成本高。
    本設計基于傳感網(wǎng)技術(shù)采用無線傳輸方式具有：低成本、安裝方便、分布計量、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸、快速抄表等優(yōu)點。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)無線通信采用2.4GHz開放ISM頻段免費頻段。其組成包括居民室內(nèi)的智能水表、抄表員使用的手持式抄表器、小區(qū)物業(yè)公司內(nèi)的PC機。系統(tǒng)設計框圖如圖1，智能水表安裝于居民家中，智能水表之間、智能水表與手持抄表器之間均可以無線通信，采集數(shù)據(jù)時抄表人員手持抄表器無需上樓，只在樓下即可對整棟樓的數(shù)據(jù)采集，整棟樓中的智能水表組成一個無線傳輸網(wǎng)絡，各智能水表可看成整個傳感網(wǎng)絡中的節(jié)點，各節(jié)相互通信，以實現(xiàn)高層中的數(shù)據(jù)可靠傳輸。抄表器中采集到的數(shù)據(jù)通過USB與PC機連接，以便把采集到的數(shù)據(jù)錄入到物業(yè)公司PC機中，用于對小區(qū)內(nèi)所有居民水表計量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、打印，對小區(qū)一級的水費收繳管理。而自來水公司的管理計算機可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠程抄表終端抄錄下屬小區(qū)的用水信息，從而實行整個城市統(tǒng)一用水管理。
2.1 智能水表設計
    智能水表電路包括：信號轉(zhuǎn)換及檢測電路，單片機及EEP-ROM芯片電路，按鍵電路及備用LCD接口電路，無線發(fā)射接收電路。智能水表從實際使用情況考慮，其電源供給一般不和市電連接，而采用電池作為電源，因此液體流量計設計重在其低功耗設計，電路如圖2所示。在設計中各電路塊設計與元件的選擇低功耗方面設計采用以下措施：
    1）信號轉(zhuǎn)換及檢測電路。系統(tǒng)設計的智能抄水表系統(tǒng)保留原有機械讀數(shù)裝置，在解決電磁抗干擾的基礎上，在原水表轉(zhuǎn)動裝置上裝有小磁棒，當磁棒轉(zhuǎn)動時，零功耗磁敏傳感器WG112產(chǎn)生脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)電路整形后進入單片機定時器計數(shù)輸入引腳，由單片機數(shù)據(jù)處理。這里選用的WG112傳感器工作時不需要使用電源，可直接將磁場信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，實現(xiàn)了零功耗轉(zhuǎn)換，降低了裝置功耗。
    2）修正按鍵及備用LCD接口電路。裝置具有一個修正按鍵，及備用LCD接口；修正按鍵作為抄表工作人員數(shù)據(jù)校正和核對時使用，采用此按鍵實現(xiàn)數(shù)據(jù)的修改；設計從能耗及實用的角度考慮，在用戶讀數(shù)時可通過機械水表讀數(shù)無須使用LCD顯示，這里采用一備用LCD顯示器接口，作為抄表人員核對水表數(shù)據(jù)顯示用，核對時要求裝置中的當前讀數(shù)與機械表讀數(shù)一致。
    3）單片機及EEPROM芯片電路。智能水表選用STC11F04單片機，此單片機可工作于3V電壓，空閑模式下典型功耗＜1.3mA，正常工作模式下2～7mA，具有外部中斷喚醒功能，當水表轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖信號及裝置無線通信時，單片機被喚醒進入系統(tǒng)相應的工作模式，外部中斷喚醒功耗為＜0.1μA；系統(tǒng)采用I2C的EEPROM存貯芯片24C16存放水表讀數(shù)，此芯片為低電壓、低功耗。
    4）無線收發(fā)模塊的選用。智能水表電路選用的無線收發(fā)模塊為RF24L01，此模塊為2.4GHz開放ISM頻段免費頻段，低功耗1.9～3.6V工作，待機模式下狀態(tài)為22μA，掉電模式下為900nA，能實現(xiàn)點對多點通信。符合裝置設計要求。
    綜上所述，智能水表電路的設計及元件的選用均降低了裝置的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。
2.2 手持抄表器設計
    手持抄表器是抄表人員采集水表數(shù)據(jù)使用，電池更換方便，因而在本設計中能耗不是裝置設計考慮的重要因素，裝置具有用戶住址與用水信息顯示功能，采集的相關(guān)信息存儲在EEP-ROM中，并通過USB口輸入PC機，作數(shù)據(jù)計算、打印及遠程終端訪問。
    手持器電路如圖3所示，具有單片機電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、數(shù)據(jù)存貯電路、USB接口電路；采用FT245BM芯片實現(xiàn)裝置與PC機的USB接口，F(xiàn)T245BM的主要功能是進行USB和并行口I/O之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，芯片一方面可從主機接收USB數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設，另一方面外設可通過并行I/O將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB的數(shù)據(jù)格式傳回主機。FT245BM與單片機的接口主要通過8根數(shù)據(jù)線D0觸D7及讀寫控制線（WR/RD/TXE/RXE）來完成和單片機的數(shù)據(jù)交互，當FT245BM的USB接口連接到主機后，必須在PC機上安裝一個由FTDI免費提供的驅(qū)動程序，這里安裝虛擬串行口VCP驅(qū)動程序。PC機中程序采用LabVIEW軟件編寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)直觀顯示功能。
2.3 智能抄水表系統(tǒng)的傳感網(wǎng)通信設計
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送通過無線方式傳輸，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信方式是系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容，本設計對一小區(qū)32層居民樓，每單元有三住戶，即抄表員對一個單元中96塊智能水表數(shù)據(jù)采集，因無線通信距離的限制，為保證對每個水表中的數(shù)據(jù)正確采集，以及以快的方式采集*部水表數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設計中采用優(yōu)化設計，居民樓中住戶所有的智能水表組成一無線傳感網(wǎng)絡，每個智能水表看成是網(wǎng)絡中的節(jié)點，抄表員使用手持式抄表器按動相應的抄表按鍵，先喚醒低層智能水表，再通過優(yōu)化方式喚醒其他的智能水表，如圖4.a畫出了1～6層智能水表系統(tǒng)喚醒拓撲圖，余下樓層的拓撲圖同此規(guī)律，喚醒后的智能水表網(wǎng)絡采用拓撲圖4.b向外傳送數(shù)據(jù)，終進入到手持抄表器中，傳送的數(shù)據(jù)包括智能水表用戶住址信息、用水量、水表電量信息等。
2.4 PC機的遠程通信
    手持抄表儀抄收到的用戶水表數(shù)據(jù)通過USB口傳輸?shù)絇C機中，遠程終端用戶訪問PC機中的數(shù)據(jù)需通過遠程通信實現(xiàn)，遠程通信程序采用LabVIEW軟件編寫，遠程通信的實現(xiàn)方式主要有三種，分別為：基于TCP/IP通信協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡通信；基于UDP通信協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡通信；使用DATASOCKET技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。設計中綜合各方面因素采用DATA－SOCKET技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，該技術(shù)是一項面向測控領域的網(wǎng)絡通信技術(shù)，是基于Micr－osoft的COM和ActiveX技術(shù)，對TCP/IP協(xié)議做高度封裝，面向測量和自動化應用，用于共享和發(fā)布實時數(shù)據(jù)。該遠程通信程序包括兩部分：服務器端和客戶端，在不同主機上分別創(chuàng)建一個DATASOCKE服務器VI和一個DATASOCKE客戶端VI，使用DATASOCKE函數(shù)節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)。
3 結(jié)束語
    系統(tǒng)設計的無線智能抄水表系統(tǒng)，包括智能水表、手持抄水表器、PC機、Internet網(wǎng)絡等，系統(tǒng)設計中對不同的組成部分按照系統(tǒng)工作特點解決不同的關(guān)鍵問題，對智能水表著重于低電壓、低功耗、抗電磁干擾、低成本設計，手持式抄表器要求有較高的信息存貯量、可靠性及與PC機方便的接口方式；智能水表的組網(wǎng)采用優(yōu)化方式實現(xiàn)快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；PC機中的程序設計采用虛擬軟件實現(xiàn)直觀的數(shù)據(jù)顯示、遠程傳送。