新型直式水表

   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，多費率水價的實施以及用水管理部門出于對數(shù)據(jù)統(tǒng)計及收費管理的需要，都要求對傳統(tǒng)的機械式水表及上門人工抄表方式進行變革，實現(xiàn)水表的數(shù)字化和自動抄表。水表的數(shù)字化工作和自動抄表系統(tǒng)已經(jīng)過實施和使用，但由于種種原因，絕大多數(shù)自動抄表系統(tǒng)都未能正常運行，最后只好恢復(fù)原來的機械式水表和人工抄表，造成了很大的人力和財力浪費。造成失敗的原因，主要是現(xiàn)有的機械水表的數(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械計量數(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、累計暫存、傳送數(shù)據(jù)三步來完成數(shù)字化自動抄表的。用水表某位指針或齒輪鑲嵌磁性材料先把計量數(shù)字變成電脈沖信號，然后單片機對脈沖信號進行采集、累加、存儲和傳送，最后傳到上位計算機進行遠傳抄表。在整個過程中，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。一個計量數(shù)據(jù)，通過上述三個過程最后得到的數(shù)據(jù)和表具指示數(shù)不一致，其中每個環(huán)節(jié)都可能出錯，特別是傳感器變換和累計暫存錯的機會較多，而且一旦有錯就無法糾錯，而產(chǎn)生脈沖誤差原因有很多：機械振動、電磁干擾、供電問題、表具倒轉(zhuǎn)、退磁等，只要有一點產(chǎn)生錯誤，累積誤差永遠地被保存在結(jié)果中。因此，有源抄表系統(tǒng)存在如下諸缺點：

①     易受電磁干擾、盜用、破壞；

②     初始化及維護工作量大；

③     電能消耗，維護費用可觀。

從有源脈沖表存在的以上缺陷可知，如果不對水表傳感技術(shù)進行改進，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，改為只在要抄表時加電而平時不用電源。其次解決脈沖累積方法造成的差錯，改為讀取水表的數(shù)據(jù)，即讀即送把累計暫存環(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，平時不向水表和通信網(wǎng)絡(luò)供電，需要抄表時才供電。“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，通過編碼識別字輪的位置。字輪上有從0到9的10個數(shù)字，為了識別這10個數(shù)字采用計算機中的信息編碼技術(shù)，用4個bit來表示16個不同信息，因此10個數(shù)字可以用4位編碼來表示。在一個字輪上用4個圓周很容易實現(xiàn)0~9的編碼，但是我們要注意到一個事實，字輪本身比較小，在一個字輪上安排4個圓周的編碼原理上雖然可行，但實用性太差。所以，是在1個圓周上實現(xiàn)式編碼。

   ①式編碼的實現(xiàn)

在水表計數(shù)的每個字輪的一側(cè)安裝若干個感應(yīng)裝置，另一側(cè)在與感應(yīng)裝置相對應(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，如圖3、4所示。每個字輪的同一圓周上按照一定的規(guī)則挖出若個透光孔，如圖2所示。當(dāng)水表字輪隨著用戶用水而轉(zhuǎn)動時，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，感應(yīng)裝置輸出的信號設(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，感應(yīng)裝置輸出的信號設(shè)為低電平。一個字輪所有感應(yīng)裝置的輸出構(gòu)成了這個字輪的角度信息編碼，從而可得到字輪上的數(shù)字。把識別的數(shù)據(jù)通過儀表總線向上發(fā)送或用液晶顯示，就可實現(xiàn)機械水表的數(shù)字化。

                   圖1 水表計數(shù)器

                   圖2  字輪

采用式編碼數(shù)字化水表平時不需采集信號和存儲數(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)、機械讀數(shù)與電子讀數(shù)不同等情況，實現(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

 一個編碼系統(tǒng)中任意兩個合法編碼（碼字）之間不同的二進制數(shù)位（bit）數(shù)叫這兩個碼字的碼距，而整個編碼系統(tǒng)中任意兩個碼字的碼距，而整個編碼系統(tǒng)中任意兩個碼字的最小距離就是該編碼系統(tǒng)的碼距即海明距離。在計算機數(shù)據(jù)傳輸中，信息是已知的，信息編碼的作用是進行校驗和糾錯，因此信息編碼的海明距離要求大于3，才能對編碼進行校驗和糾錯。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，任意兩個合法編碼之間不同的二進制數(shù)位會發(fā)生好幾種變化，由于受到成本的限制，采用的傳感器個數(shù)有限，而這些變化可能會引起編碼的重疊，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數(shù)字位相互區(qū)分開，也就是，在相鄰的信息組中，二進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

 為了正確無誤地識別0到9等10個數(shù)字，理論上采用4對傳感裝置即可識別10個不同的信息，但是注意到低位字輪在從9到0轉(zhuǎn)動過程中，機械讀數(shù)可能處于臨界位置，同時根據(jù)編碼規(guī)則要求相鄰信息之間的海明距離為1，所以，一個字輪至少需要5對傳感裝置，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個傳感器。

④字輪透空的處理

 字輪進行透空處理可保證傳感器的輸出信號有高、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個以上的不同編碼。如圖2所示，為數(shù)字8、9、0、1、2對應(yīng)的圓周上的透空。

3  無源直讀水表的特點

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算和控制，有利于設(shè)計傳感器的安裝位置和檢測方法；

③     海明距離為1的編碼，有利于識別；

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量誤差及大量的維護工作；

⑤     自動記憶碼輪位置。不是脈沖累加式計量，無需初始化，抄表系統(tǒng)維護工作量少；

⑥     數(shù)碼傳送。在接收方可利用校驗碼進行誤碼判斷，如錯則要求水表重發(fā)，所以在復(fù)雜的使用環(huán)境下能穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠地實現(xiàn)計量；

⑦     機械讀數(shù)和電子讀數(shù)保持一致。不存在因累計誤差或水表倒轉(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量精度。

  4 無源自動抄表系統(tǒng)

無源自動抄表系統(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)，計算機管理信息系統(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)成整個無源自動抄表系統(tǒng)。手持式抄表器、計算機管理信息系統(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總線與若干個集中器相接，而若干個集中器又分別經(jīng)2線制M－Bus總線與若干個無源直讀式水表相接。實現(xiàn)微功耗的自動抄表網(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，集中器對于接收到的數(shù)據(jù)包進行判斷，如果屬于它下面水表，集中器閉合繼電器，打開下行M－Bus總線的電源和信號回路，否則丟棄不理。這樣同時工作的設(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，并進入掉電狀態(tài)，以進一步降低平均工作電流。

                圖5  無源自動抄表系統(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。經(jīng)試驗，讀數(shù)的準(zhǔn)確性令人滿意，但產(chǎn)品對制造工藝、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，從而推動自動抄表技術(shù)的健康發(fā)展。