基于传感网技术的无线智能抄水表系统设计

 基于传感网技术设计的无线智能抄水表系统，系统保留传统的机械水表，采用零功耗传感器WG112把水表的转动转化为脉冲信号，通过设计的低功耗智能水表测试水表读数，各用户的智能水表以无线方式组成一智能传感网，在抄表人员无须进入室内的情况下，采用手持抄表器采集用户水表读数，实现自动、高效的智能抄水表方式；同时，抄表器可通过USB接口与电脑连接，电脑中采用软件编写的程序对采集数据显示、打印、上网等处理，终端通过网络对数据查询和显示。
1 系统设计方案选择
   实现抄水表系统的智能化关键问题是解决信号的转换和数据传输技术。流量积算仪
   针对国内水表使用现状——大多采用机械水表计量，为减少改造成本，采用的方法是在现有水表的物理结构，不改变国家计量标准的基础上加装传感器，在保留原有机械计量的基础上，具有计量信息的远传功能，即机械计量与电子智能计量同步，两者达到精度、智能化的完美结合。目前加装传感器装置比较常用的方法是采用磁敏传感器和光电开关，采用磁敏传感器改造方便，使用寿命长，但抗电磁干扰能力差，采用光电开关抗干扰能力强，但能耗大；而智能水表在居民户内，不能采用市电，能耗是重要考虑的因素，因此设计中在解决抗电磁干扰的基础上，采用零功耗磁敏传感器把机械水表中叶轮的转动转换成电脉冲信号。
   数据水表技术目前常采用以下三种方法：一是智能卡水表，通过预付费卡用水，不实行抄表联网。该系统解决收费难、少收费等问题，但如智能卡水表计量部分或控制部分失灵，由于不存在监控，势必造成供水企业的直接经济损失等问题。二是有线集中抄表，每户的水表单独出现连接至数据采集器，然后由数据采集器统一收集与处理数据，该系统能解决集中供电问题，缺点是：施工工作量大，安装维护成本高；一旦出现故障，使得系统无法工作。三是采用网络通信传输方式。使用电话线、无线射频、电力线等方式，这些方式功能强、扩展灵活，但成本高。
   本设计基于传感网技术采用无线传输方式具有：低成本、安装方便、分布计量、数据联网传输、快速高效抄表等优点。
2 系统结构
   系统无线通信采用2.4GHz全球开放ISM频段免费频段。其组成包括居民室内的智能水表、抄表员使用的手持式抄表器、小区物业公司内的PC机。系统设计框图如图1，智能水表安装于居民家中，智能水表之间、智能水表与手持抄表器之间均可以无线通信，采集数据时抄表人员手持抄表器无需上楼，只在楼下即可对整栋楼的数据采集，整栋楼中的智能水表组成一个无线传输网络，各智能水表可看成整个传感网络中的节点，各节相互通信，以实现高层中的数据可靠传输。抄表器中采集到的数据通过USB与PC机连接，以便把采集到的数据录入到物业公司PC机中，用于对小区内所有居民水表计量数据进行统计、打印，对小区一级的水费收缴管理。而自来水公司的管理计算机可以通过互联网远程抄表终端抄录下属小区的用水信息，从而实行整个城市统一用水管理。
2.1 智能水表设计
   智能水表电路包括：信号转换及检测电路，单片机及EEP-ROM芯片电路，按键电路及备用LCD接口电路，无线发射接收电路。智能水表从实际使用情况考虑，其电源供给一般不和市电连接，而采用电池作为电源，因此智能电表设计重在其低功耗设计，电路如图2所示。在设计中各电路块设计与元件的选择低功耗方面设计采用以下措施：
   1）信号转换及检测电路。系统设计的智能抄水表系统保留原有机械读数装置，在解决电磁抗干扰的基础上，在原水表转动装置上装有小磁棒，当磁棒转动时，零功耗磁敏传感器产生脉冲信号，此脉冲信号经电路整形后进入单片机定时器计数输入引脚，由单片机数据处理。这里选用的传感器工作时不需要使用电源，可直接将磁场信号转换成电脉冲信号，实现了零功耗转换，降低了装置功耗。差压变送器
   2）修正按键及备用LCD接口电路。装置具有一个修正按键，及备用LCD接口；修正按键作为抄表工作人员数据校正和核对时使用，采用此按键实现数据的修改；设计从能耗及实用的角度考虑，在用户读数时可通过机械水表读数无须使用LCD显示，这里采用一备用LCD显示器接口，作为抄表人员核对水表数据显示用，核对时要求装置中的当前读数与机械表数一致。
   3）单片机及芯片电路。智能水表选用单片机，此单片机可工作于3V电压，空闲模式下典型功耗＜1.3mA，正常工作模式下2～7mA，具有外部中断唤醒功能，当水表转动产生脉冲信号及装置无线通信时，单片机被唤醒进入系统相应的工作模式，外部中断唤醒功耗为＜0.1μA；系统采用I2C的存贮芯片24C16存放水表读数，此芯片为电压、低功耗。
   4）无线收发模块的选用。智能水表电路选用的无线收发模块，此模块为2.4GHz全球开放ISM频段免费频段，低功耗1.9～3.6V工作，待机模式下状态为22μA，掉电模式下为900nA，能实现点对多点通信。符合装置设计要求。
   综上所述，智能水表电路的设计及元件的选用均降低了装置的静态功耗和动态功耗。
2.2 手持抄表器设计
   手持抄表器是抄表人员采集水表数据使用，电池更换方便，因而在本设计中能耗不是装置设计考虑的重要因素，装置具有用户住址与用水信息显示功能，采集的相关信息存储在中，并通过USB口输入PC机，作数据计算、打印及远程终端访问。
   手持器电路如图3所示，具有单片机电路、键盘电路、LCD显示电路、数据存贮电路、USB接口电路；和并行口I/O之间的协议转换，芯片一方面可从主机接收USB数据，并将其转换成并行I/O口的数据流格式发送给外设，另一方面外设可通过并行I/O将数据转换为USB的数据格式传回主机。FT245BM与单片机的接口主要通过8根数据线D0觸D7及读写控制线（WR/RD/TXE/RXE）来完成和单片机的数据交互，当FT245BM的USB接口连接到主机后，必须在PC机上安装一个由FTDI免费提供的驱动程序，这里安装虚拟串行口VCP驱动程序。PC机中程序采用LabVIEW软件编写，实现数据直观显示功能。
2.3 智能抄水表系统的传感网通信设计
   系统数据传送通过无线方式传输，网络数据通信方式是系统设计的重要内容，本设计对一小区32层居民楼，每单元有三住户，即抄表员对一个单元中96块智能水表数据采集，因无线通信距离的限制，为保证对每个水表中的数据正确采集，以及以最快的方式采集完全部水表数据，系统设计中采用优化设计，居民楼中住户所有的智能水表组成一无线传感网络，每个智能水表看成是网络中的节点，抄表员使用手持式抄表器按动相应的抄表按键，先唤醒最低层智能水表，再通过优化方式唤醒其他的智能水表，如图4.a画出了1～6层智能水表系统唤醒拓扑图，余下楼层的拓扑图同此规律，唤醒后的智能水表网络采用拓扑图4.b向外传送数据，最终进入到手持抄表器中，传送的数据包括智能水表用户住址信息、用水量、水表电量信息等。智能电磁流量计
2.4 PC机的远程通信
   手持抄表仪抄收到的用户水表数据通过USB口传输到PC机中，远程终端用户访问PC机中的数据需通过远程通信实现，远程通信程序采用LabVIEW软件编写，远程通信的实现方式主要有三种，分别为：基于TCP/IP通信协议实现网络通信；基于UDP通信协议实现网络通信
网络通信，该技术是一项面向测控领域的网络通信技术，该远程通信程序包括两部分：服务器端和客户端，3 结束语
   系统设计的无线智能抄水表系统，包括智能水表、手持抄水表器、PC机，系统设计中对不同的组成部分按照系统工作特点解决不同的关键问题，对智能水表着重于低电压、低功耗、抗电磁干扰、低成本设计，手持式抄表器要求有较高的信息存贮量、可靠性及与PC机方便的接口方式；智能水表的组网采用优化方式实现快速、可靠的数据传输；PC机中的程序设计采用虚拟软件实现直观的数据显示、远程传送。