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一種基于無線通訊與公用電話網的智能抄表系統(tǒng)
摘要：自來水智能抄表系統(tǒng)是能源管理體制現(xiàn)代的體現(xiàn)。該系統(tǒng)的結合傳感技術、射頻技術、微電子技術等，通過無線通訊傳輸水量信號，利用現(xiàn)有廣泛使用的電話網及計算機，將數(shù)據發(fā)送給管理端，完成數(shù)據處理。關鍵詞：無線通訊 公司電話網 計算機 抄表
傳統(tǒng)的供水計量操作通常是由各管理部門派人到裝表地點抄表，由于用戶面廣、量大，極易造成差錯，人工抄表不但效率低，且不利于科學管理，給城市管網的建模、分析、規(guī)劃等都帶來很大的困難。電子和計算機技術的迅速發(fā)展，為實現(xiàn)自動抄表技術提供了大環(huán)境，管理體制的現(xiàn)代化也呼喚著自動抄表時代的到來。目前我國普遍采用將水表安裝在用戶室內，每月入戶抄表收費的方法。這給用戶帶來很多麻煩，給抄表人員帶來煩惱，造成很多不必要的糾紛。為了有效解決入戶抄表收費存在的諸多弊端、提高效率、避免入戶抄表引發(fā)的治安問題（如冒充收費入室搶劫）和杜絕拖欠費用，水表戶外計量呼聲越來越高。尤其對高層、毫華居住小區(qū)，水表戶外計量是非常必要的，傳統(tǒng)的抄表方式已不能適應今后住宅的發(fā)展要求。
隨著電子技術、傳感技術、自動控制技術和計算機技術的發(fā)展，水表戶外計量已經開發(fā)出不少產品。主要有：IC卡、電力載波、遠傳抄表三種戶外計量方式。建設部《2000年小康型城鄉(xiāng)住宅科技產業(yè)工程城市示范小區(qū)規(guī)劃設計導則（修改稿）》中已經明確提出：“推廣應用戶外計量（含水、電、曖、燃氣表）技術”。在《中國住宅產品發(fā)展綱要》中也明確提出：“實現(xiàn)方便查表，不干擾住戶，使大量人工查表工作逐步過渡到數(shù)字化傳送，開發(fā)智能化的水、電、氣、熱計量裝置及接口箱框”。目前水表戶外計量的智能抄表系統(tǒng)已達到使用要求。因此，結合傳感技術、射頻技術，利用現(xiàn)有廣泛使用的電話網，設計開發(fā)了結構獨特、性能穩(wěn)定、完全可靠的自來水智能抄表系統(tǒng)。
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1 設計要求
為保證自來水智能抄表系統(tǒng)的準確性和可靠性，提高能源管理的科學性、規(guī)范化，對智能抄表系統(tǒng)提出以下要求：
（1）水表為密封結構，是一種既能直觀顯示相關能耗計量數(shù)據，又能產生能耗計量脈沖信號的新型計量表具。
（2）系統(tǒng)具有防斷電功能。停電時，發(fā)射端和接收端裝有備用電池，防止數(shù)據丟失。
（3）系統(tǒng)采用高精度不掉電實時時鐘，為數(shù)據分時處理提供可靠的時間基準；可實現(xiàn)分時段計費功能；通過通訊設備故障報警、記錄故障發(fā)生時間的功能。
（4）數(shù)據庫安全。數(shù)據庫為只讀方式，只有授權的管理員可以寫入數(shù)據，管理中心電腦設有密碼，嚴防無關人員操作，密碼可由操作員在主機上修改�？商峁┯嬞M查詢、報表生成、打印、報警等功能。
2 總體結構
智能抄表系統(tǒng)現(xiàn)有兩種形式：
（1）用戶室內裝有電話，抄表系統(tǒng)結構如圖1所示。數(shù)據采集通過無線通訊將數(shù)據傳送給數(shù)據處理器，數(shù)據處理器通過電話線向管理計算機上報數(shù)據。
（2）用戶室內沒有電話，抄表系統(tǒng)結構如圖2所示。數(shù)據采集器通過無線通訊傳送給數(shù)據處理器，數(shù)據處理器安裝在室外的走廊內，并附帶顯示模塊顯示用戶當用水量。安裝在走廊內的數(shù)據處理器通過公用電話線向管理計算機上報數(shù)據。如果住戶的房間被鐵門等屏蔽而無法實現(xiàn)無線通訊，可以鋪鋪設專用通訊線，將數(shù)據上傳。
3 系統(tǒng)組成
（1）水表。本系統(tǒng)所采用的計量水表是一種既能直觀顯示相關能耗計量數(shù)據，又能產生能耗計量脈沖信號的新型計量表具。它實際上是一種加裝了永義磁鐵和霍爾元件組成磁電傳感器的水表，霍爾元件固定安裝在計數(shù)轉盤附近，永磁鐵安裝在計數(shù)盤（例如0.1m3或0.01m3）位上，當轉盤每轉一圈，永磁鐵經過霍爾元件一次，即在信號端產生一個計量脈沖，對應0.1m3或.0.01m3，經無線發(fā)射器發(fā)送給數(shù)據處理器。另外，在水表上還裝有防盜霍爾元件，當用戶盜用水時，霍爾元件發(fā)出報警信號給數(shù)據處理器，數(shù)據處理器再通過電話線報告給管理計算機，以便做出處理。
(2)數(shù)據處理器。數(shù)據處理器是一個多功能模塊，實現(xiàn)水表數(shù)據的自動抄收，將數(shù)據長期、可靠地存儲，并在需要時將其傳給管理計算機。具體來說，它用于接收水表數(shù)據及各種報警信號，累計住戶用水量，通過電話線定期向管理計算機發(fā)送住戶的有關數(shù)據。一臺數(shù)據處理器對應一塊水表，一般安裝在電話機附近。數(shù)據處理器內部有可充電電流作為后備電源，在外部電源停電的情況下，則由充電電流單獨向數(shù)據處理器供電，保證數(shù)據處理器正常工作。
（3）管理計算機。管理計算機是本系統(tǒng)的管理核心，可通過電話線下接許多數(shù)據處理器，數(shù)據處理器的個數(shù)基本不受限制。管理計算機能隨時抄收每個用戶水表的數(shù)據，并將數(shù)據保存在數(shù)據庫中供查詢，能對整個系統(tǒng)進行管理，對所抄數(shù)據進行處理。
4 系統(tǒng)硬件電氣原理分述
4.1 水表發(fā)射器電氣部分原理
水表發(fā)射器的功能是將水表計量的用水量，以無線通訊的方式傳送給數(shù)據處理器�？驁D如圖3所示。安裝在水表內的霍爾傳感器用來檢測用水量，水表中每流過0.1t水，霍爾傳感器就發(fā)出一個脈沖信號，經串穩(wěn)態(tài)電路產生一個紅1s寬的脈沖，再經施密特反相器4069整形后送入編碼器PT2262進行編碼，PT2262全碼編址為4 11個，經編碼后的數(shù)據送入無線發(fā)射模塊進行發(fā)射，無線電發(fā)射頻率為400MHz，有效距離為50m；同時發(fā)射器還具備一些附加功能。
（1）防盜功能。由于干式水表靠電磁傳動的特點，它易受外磁場的影響。如果用戶在水表附近放有強磁鐵，它會使水表傳動齒輪轉速降低，使水表的測量精度降低。而發(fā)射器上另裝有一個專用于測量磁場強度的霍爾傳感器，當發(fā)現(xiàn)水表附近有強磁場時，霍爾傳感器發(fā)出報警脈沖，經發(fā)射器無線傳送給數(shù)據處理器。
（2）備用電池。為保證發(fā)射器在停電時能正常工作，在交流220V供電的同時，還備有一個4.8V的鎳氫電池、由LM358、555組成的電池電壓監(jiān)測和充電電路，使電池能正常充電。后備電池可維持發(fā)射器連續(xù)工作48h。
4.2 數(shù)據處理器電氣部分原理
數(shù)據處理器是本系統(tǒng)的關鍵設備。由無線接收和解碼部分、時鐘日歷、8051及外圍、電話收發(fā)電路、電源等部分組成�？驁D如圖4所示。無線接收模塊與發(fā)射模塊工作在相同頻率400MHz上；解碼由PT2272完成，工作頻率與PT2262相同， 地址編碼與PT2262一致。時鐘日歷芯片DALLAS12887為系統(tǒng)提供準確的百年時鐘日歷，包括年、月、日、時、分、秒、星期和定時報警信號。
電話收發(fā)電路由撥號電路和音頻解碼電路組成。4-16譯碼妻MC4514模擬開關4066組成3*4虛擬鍵盤陣列，由8051控制過按鍵的開與合，完成將要拔出電話號碼和上傳數(shù)據的編碼，并將電話號碼和數(shù)據送入撥號電路。撥號專用芯片為W91312，晶振頻率為3.58MH，接收到管理計算機機端的電話號碼后立即撥出。當兩端的握手信號完成，確認線路接通后，由8051控制將上傳的數(shù)據以音頻方式輸出給管理計算機；音頻解碼電路的功能是將音頻信號解碼，以BCD碼的形式輸出。當數(shù)據處理器撥通管理計算機后，管理計算機端回復一個接通握手信號，該信號是音頻信號，經交流放大電路放大后，送入音頻解碼芯片MC145436解碼，最后以BCD碼的形式送入8051。
系統(tǒng)供電采用220V交流和鋰后備電池供電的雙重方案，當住宅停電或人為斷電時，系統(tǒng)仍可維持正常工作48h。
4.3 管理計算機通訊接口板電氣部分原理
管理計算機通訊接口板由撥號電路、音頻解碼電路、電話振鈴檢測電路、光電隔離電路和電源電路組成，如圖5所示。撥號電路和音頻解碼電路與數(shù)數(shù)處理器板上的相同。
5 系統(tǒng)軟件
本系統(tǒng)軟件由數(shù)據接收、數(shù)據轉換和收費系統(tǒng)三部分組成。
（1）數(shù)據接收系統(tǒng)。由于需要從并口讀取用戶的用水量，所以在用戶的用水量上來之后，先由數(shù)據接收系統(tǒng)將用戶的數(shù)據轉換成文本文件。此系統(tǒng)在操作系統(tǒng)啟動后自動啟動，且一直處于工作狀態(tài)。
（2）數(shù)據轉換系統(tǒng)�？紤]到數(shù)據接收之后形成的是文本文件，不能直接進入數(shù)據庫，所以設計一個數(shù)據轉換系統(tǒng)將數(shù)據存入數(shù)據庫。此系統(tǒng)在操作系統(tǒng)啟動后自動啟動，且一直處于工作狀態(tài)。
（3）收費系統(tǒng)。在合法用戶登錄到本系統(tǒng)后，進行日常的業(yè)務處理。根據用戶的計算機配置情況，該系統(tǒng)可以在單機環(huán)境下運行，也可以在網絡環(huán)境下運行。
單機運行環(huán)境對計算機軟、硬件的要求：操作系統(tǒng)為WIN95/WIN98；數(shù)據庫為Oracle734。
網絡運行環(huán)境對計算機軟、硬件的要求：操作系統(tǒng)的客戶端為WIN95/WIN98、服務器端為WIN2000/WINNT；
數(shù)據庫的客戶端為Oracle734；服務器端為Oracle8i；
硬盤：5G；
水作為一種有限的資源，越來越為人們所重視，節(jié)約用水已不再是一種倡議，而是我們的責任和義務。因此，對居民、企事業(yè)單位用水的準確計量是十分迫切的，一戶一閥，一戶一表已是大勢所趨。另一方面，聯(lián)一戶一表工程的實施，居民用水的計量與收費的難度也逐漸加大，為了有效解決入戶抄表收存在的諸多弊端，提高效率，避免入戶抄表引發(fā)的治安問題，杜絕拖欠費用。因此，戶外
智能抄表代替?zhèn)鹘y(tǒng)入戶抄表勢在必行。
在現(xiàn)有的智能抄表中，有通過動力線載波網絡實現(xiàn)的，有通過鋪設專用線實現(xiàn)的，比較兩種智能抄表系統(tǒng)，用動力線載波網絡實現(xiàn)局限性比較大，主要受變壓器限制；通過鋪設專用線來實現(xiàn)，施工工程比較大，改造費用也比較高。因此，采用公用電話網實現(xiàn)智能抄表系統(tǒng)，避免了上述的不利因素，適用面比較廣泛，安裝方便，不用鋪線，改造費用也比較小，給用戶帶來很多方便。因此，應用前景非常廣闊。
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