采用公用電話網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

統(tǒng)的供水計(jì)量操作通常是由各管理部門派人到裝表地點(diǎn)抄表，由于用戶面廣、量大，極易造成差錯(cuò)，人工抄表不但效率低，且不利于科學(xué)管理，給城市管網(wǎng)的建模、分析、規(guī)劃等都帶來(lái)很大的困難。電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表技術(shù)提供了大環(huán)境，管理體制的現(xiàn)代化也呼喚著自動(dòng)抄表時(shí)代的到來(lái)。目前我國(guó)普遍采用將水表安裝在用戶室內(nèi)，每月入戶抄表收費(fèi)的方法。這給用戶帶來(lái)很多麻煩，給抄表人員帶來(lái)煩惱，造成很多不必要的糾紛。為了有效解決入戶抄表收費(fèi)存在的諸多弊端、提高效率、避免入戶抄表引發(fā)的治安問(wèn)題（如冒充收費(fèi)入室搶劫）和杜絕拖欠費(fèi)用，水表戶外計(jì)量呼聲越來(lái)越高。尤其對(duì)高層、毫華居住小區(qū)，水表戶外計(jì)量是非常必要的，傳統(tǒng)的抄表方式已不能適應(yīng)今后住宅的發(fā)展要求。

隨著電子技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水表戶外計(jì)量已經(jīng)開發(fā)出不少產(chǎn)品。主要有：IC卡、電力載波、遠(yuǎn)傳抄表三種戶外計(jì)量方式。建設(shè)部《2000年小康型城鄉(xiāng)住宅科技產(chǎn)業(yè)工程城市示范小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則（修改稿）》中已經(jīng)明確提出：“推廣應(yīng)用戶外計(jì)量（含水、電、曖、燃?xì)獗恚┘夹g(shù)”。在《中國(guó)住宅產(chǎn)品發(fā)展綱要》中也明確提出：“實(shí)現(xiàn)方便查表，不干擾住戶，使大量人工查表工作逐步過(guò)渡到數(shù)字化傳送，開發(fā)智能化的水、電、氣、熱計(jì)量裝置及接口箱框”。目前水表戶外計(jì)量的智能抄表系統(tǒng)已達(dá)到使用要求。因此，結(jié)合傳感技術(shù)、射頻技術(shù)，利用現(xiàn)有廣泛使用的電話網(wǎng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能穩(wěn)定、完全可靠的自來(lái)水智能抄表系統(tǒng)。

1、設(shè)計(jì)要求

為保證自來(lái)水智能抄表系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，提高能源管理的科學(xué)性、規(guī)范化，對(duì)智能抄表系統(tǒng)提出以下要求：

（1）水表為密封結(jié)構(gòu)，是一種既能直觀顯示相關(guān)能耗計(jì)量數(shù)據(jù)，又能產(chǎn)生能耗計(jì)量脈沖信號(hào)的新型計(jì)量表具。

（2）系統(tǒng)具有防斷電功能。停電時(shí)，發(fā)射端和接收端裝有備用電池，防止數(shù)據(jù)丟失。

（3）系統(tǒng)采用高精度不掉電實(shí)時(shí)時(shí)鐘，為數(shù)據(jù)分時(shí)處理提供可靠的時(shí)間基準(zhǔn)；可實(shí)現(xiàn)分時(shí)段計(jì)費(fèi)功能；通過(guò)通訊設(shè)備故障報(bào)警、記錄故障發(fā)生時(shí)間的功能。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)安全。數(shù)據(jù)庫(kù)為只讀方式，只有授權(quán)的管理員可以寫入數(shù)據(jù)，管理中心電腦設(shè)有密碼，嚴(yán)防無(wú)關(guān)人員操作，密碼可由操作員在主機(jī)上修改。可提供計(jì)費(fèi)查詢、報(bào)表生成、打印、報(bào)警等功能。

2、 總體結(jié)構(gòu)

智能抄表系統(tǒng)現(xiàn)有兩種形式：

（1）用戶室內(nèi)裝有電話，抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集通過(guò)無(wú)線通訊將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器通過(guò)電話線向管理計(jì)算機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)。

（2）用戶室內(nèi)沒(méi)有電話，抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集器通過(guò)無(wú)線通訊傳送給數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器安裝在室外的走廊內(nèi)，并附帶顯示模塊顯示用戶當(dāng)用水量。安裝在走廊內(nèi)的數(shù)據(jù)處理器通過(guò)公用電話線向管理計(jì)算機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)。如果住戶的房間被鐵門等屏蔽而無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，可以鋪鋪設(shè)專用通訊線，將數(shù)據(jù)上傳。

3、系統(tǒng)組成

（1）水表。本系統(tǒng)所采用的計(jì)量水表是一種既能直觀顯示相關(guān)能耗計(jì)量數(shù)據(jù)，又能產(chǎn)生能耗計(jì)量脈沖信號(hào)的新型計(jì)量表具。它實(shí)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(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤附近，永磁鐵安裝在計(jì)數(shù)盤（例如0.1m3或0.01m3）位上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，永磁鐵經(jīng)過(guò)霍爾元件一次，即在信號(hào)端產(chǎn)生一個(gè)計(jì)量脈沖，對(duì)應(yīng)0.1m3或.0.01m3，經(jīng)無(wú)線發(fā)射器發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器。另外，在水表上還裝有防盜霍爾元件，當(dāng)用戶盜用水時(shí)，霍爾元件發(fā)出報(bào)警信號(hào)給數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器再通過(guò)電話線報(bào)告給管理計(jì)算機(jī)，以便做出處理。

（2）數(shù)據(jù)處理器。數(shù)據(jù)處理器是一個(gè)多功能模塊，實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄收，將數(shù)據(jù)長(zhǎng)期、可靠地存儲(chǔ)，并在需要時(shí)將其傳給管理計(jì)算機(jī)。具體來(lái)說(shuō)，它用于接收水表數(shù)據(jù)及各種報(bào)警信號(hào)，累計(jì)住戶用水量，通過(guò)電話線定期向管理計(jì)算機(jī)發(fā)送住戶的有關(guān)數(shù)據(jù)。一臺(tái)數(shù)據(jù)處理器對(duì)應(yīng)一塊水表，一般安裝在電話機(jī)附近。數(shù)據(jù)處理器內(nèi)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(dú)向數(shù)據(jù)處理器供電，保證數(shù)據(jù)處理器正常工作。

（3）管理計(jì)算機(jī)。管理計(jì)算機(jī)是本系統(tǒng)的管理核心，可通過(guò)電話線下接許多數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器的個(gè)數(shù)基本不受限制。管理計(jì)算機(jī)能隨時(shí)抄收每個(gè)用戶水表的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中供查詢，能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理，對(duì)所抄數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)量的用水量，以無(wú)線通訊的方式傳送給數(shù)據(jù)處理器?？驁D如圖3所示。安裝在水表內(nèi)的霍爾傳感器用來(lái)檢測(cè)用水量，水表中每流過(guò)0.1t水，霍爾傳感器就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)串穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個(gè)紅1s寬的脈沖，再經(jīng)施密特反相器4069整形后送入編碼器PT2262進(jìn)行編碼，PT2262全碼編址為4 11個(gè)，經(jīng)編碼后的數(shù)據(jù)送入無(wú)線發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射，無(wú)線電發(fā)射頻率為400MHz，有效距離為50m；同時(shí)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(dòng)的特點(diǎn)，它易受外磁場(chǎng)的影響。如果用戶在水表附近放有強(qiáng)磁鐵，它會(huì)使水表傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速降低，使水表的測(cè)量精度降低。而發(fā)射器上另裝有一個(gè)專用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾傳感器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水表附近有強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，霍爾傳感器發(fā)出報(bào)警脈沖，經(jīng)發(fā)射器無(wú)線傳送給數(shù)據(jù)處理器。

（2）備用電池。為保證發(fā)射器在停電時(shí)能正常工作，在交流220V供電的同時(shí)，還備有一個(gè)4.8V的鎳氫電池、由LM358、555組成的電池電壓監(jiān)測(cè)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(jù)處理器電氣部分原理

數(shù)據(jù)處理器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。由無(wú)線接收和解碼部分、時(shí)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(wú)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(shí)鐘日歷芯片DALLAS12887為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的百年時(shí)鐘日歷，包括年、月、日、時(shí)、分、秒、星期和定時(shí)報(bào)警信號(hào)。

電話收發(fā)電路由撥號(hào)電路和音頻解碼電路組成。4-16譯碼妻MC4514模擬開關(guān)4066組成3*4虛擬鍵盤陣列，由8051控制過(guò)按鍵的開與合，完成將要拔出電話號(hào)碼和上傳數(shù)據(jù)的編碼，并將電話號(hào)碼和數(shù)據(jù)送入撥號(hào)電路。撥號(hào)專用芯片為W91312，晶振頻率為3.58MH，接收到管理計(jì)算機(jī)機(jī)端的電話號(hào)碼后立即撥出。當(dāng)兩端的握手信號(hào)完成，確認(rèn)線路接通后，由8051控制將上傳的數(shù)據(jù)以音頻方式輸出給管理計(jì)算機(jī)；音頻解碼電路的功能是將音頻信號(hào)解碼，以BCD碼的形式輸出。當(dāng)數(shù)據(jù)處理器撥通管理計(jì)算機(jī)后，管理計(jì)算機(jī)端回復(fù)一個(gè)接通握手信號(hào)，該信號(hào)是音頻信號(hào)，經(jīng)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(dāng)住宅停電或人為斷電時(shí)，系統(tǒng)仍可維持正常工作48h。

4.3 管理計(jì)算機(jī)通訊接口板電氣部分原理

管理計(jì)算機(jī)通訊接口板由撥號(hào)電路、音頻解碼電路、電話振鈴檢測(cè)電路、光電隔離電路和電源電路組成，如圖5所示。撥號(hào)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(jù)接收、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和收費(fèi)系統(tǒng)三部分組成。

（1）數(shù)據(jù)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(lái)之后，先由數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)將用戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本文件。此系統(tǒng)在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)啟動(dòng)，且一直處于工作狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?？紤]到數(shù)據(jù)接收之后形成的是文本文件，不能直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，所以設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。此系統(tǒng)在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)啟動(dòng)，且一直處于工作狀態(tài)。

（3）收費(fèi)系統(tǒng)。在合法用戶登錄到本系統(tǒng)后，進(jìn)行日常的業(yè)務(wù)處理。根據(jù)用戶的計(jì)算機(jī)配置情況，該系統(tǒng)可以在單機(jī)環(huán)境下運(yùn)行，也可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行。

單機(jī)運(yùn)行環(huán)境對(duì)計(jì)算機(jī)軟、硬件的要求：操作系統(tǒng)為WIN95/WIN98；數(shù)據(jù)庫(kù)為Oracle734。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境對(duì)計(jì)算機(jī)軟、硬件的要求：操作系統(tǒng)的客戶端為WIN95/WIN98、服務(wù)器端為WIN2000/WINNT；

數(shù)據(jù)庫(kù)的客戶端為Oracle734；服務(wù)器端為Oracle8i；

硬盤：5G；

水作為一種有限的資源，越來(lái)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(zé)任和義務(wù)。因此，對(duì)居民、企事業(yè)單位用水的準(zhǔn)確計(jì)量是十分迫切的，一戶一閥，一戶一表已是大勢(shì)所趨。另一方面，聯(lián)一戶一表工程的實(shí)施，居民用水的計(jì)量與收費(fèi)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(wèn)題，杜絕拖欠費(fèi)用。因此，戶外智能抄表代替?zhèn)鹘y(tǒng)入戶抄表勢(shì)在必行。

在現(xiàn)有的智能抄表中，有通過(guò)動(dòng)力線載波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，有通過(guò)鋪設(shè)專用線實(shí)現(xiàn)的，比較兩種智能抄表系統(tǒng)，用動(dòng)力線載波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)局限性比較大，主要受變壓器限制；通過(guò)鋪設(shè)專用線來(lái)實(shí)現(xiàn)，施工工程比較大，改造費(fèi)用也比較高。因此，采用公用電話網(wǎng)實(shí)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(fèi)用也比較小，給用戶帶來(lái)很多方便。因此，應(yīng)用前景非常廣闊。