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一种基于无线通讯与公用电话网的智能抄表系统
摘要：自来水智能抄表系统是能源管理体制现代的体现。该系统的结合传感技术、射频技术、微电子技术等，通过无线通讯传输水量信号，利用现有广泛使用的电话网及计算机，将数据发送给管理端，完成数据处理。关键词：无线通讯 公司电话网 计算机 抄表
传统的供水计量操作通常是由各管理部门派人到装表地点抄表，由于用户面广、量大，极易造成差错，人工抄表不但效率低，且不利于科学管理，给城市管网的建模、分析、规划等都带来很大的困难。电子和计算机技术的迅速发展，为实现自动抄表技术提供了大环境，管理体制的现代化也呼唤着自动抄表时代的到来。目前我国普遍采用将水表安装在用户室内，每月入户抄表收费的方法。这给用户带来很多麻烦，给抄表人员带来烦恼，造成很多不必要的纠纷。为了有效解决入户抄表收费存在的诸多弊端、提高效率、避免入户抄表引发的治安问题（如冒充收费入室抢劫）和杜绝拖欠费用，水表户外计量呼声越来越高。尤其对高层、毫华居住小区，水表户外计量是非常必要的，传统的抄表方式已不能适应今后住宅的发展要求。
随着电子技术、传感技术、自动控制技术和计算机技术的发展，水表户外计量已经开发出不少产品。主要有：IC卡、电力载波、远传抄表三种户外计量方式。建设部《2000年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则（修改稿）》中已经明确提出：“推广应用户外计量（含水、电、暧、燃气表）技术”。在《中国住宅产品发展纲要》中也明确提出：“实现方便查表，不干扰住户，使大量人工查表工作逐步过渡到数字化传送，开发智能化的水、电、气、热计量装置及接口箱框”。目前水表户外计量的智能抄表系统已达到使用要求。因此，结合传感技术、射频技术，利用现有广泛使用的电话网，设计开发了结构独特、性能稳定、完全可靠的自来水智能抄表系统。
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1 设计要求
为保证自来水智能抄表系统的准确性和可靠性，提高能源管理的科学性、规范化，对智能抄表系统提出以下要求：
（1）水表为密封结构，是一种既能直观显示相关能耗计量数据，又能产生能耗计量脉冲信号的新型计量表具。
（2）系统具有防断电功能。停电时，发射端和接收端装有备用电池，防止数据丢失。
（3）系统采用高精度不掉电实时时钟，为数据分时处理提供可靠的时间基准；可实现分时段计费功能；通过通讯设备故障报警、记录故障发生时间的功能。
（4）数据库安全。数据库为只读方式，只有授权的管理员可以写入数据，管理中心电脑设有密码，严防无关人员操作，密码可由操作员在主机上修改。可提供计费查询、报表生成、打印、报警等功能。
2 总体结构
智能抄表系统现有两种形式：
（1）用户室内装有电话，抄表系统结构如图1所示。数据采集通过无线通讯将数据传送给数据处理器，数据处理器通过电话线向管理计算机上报数据。
（2）用户室内没有电话，抄表系统结构如图2所示。数据采集器通过无线通讯传送给数据处理器，数据处理器安装在室外的走廊内，并附带显示模块显示用户当用水量。安装在走廊内的数据处理器通过公用电话线向管理计算机上报数据。如果住户的房间被铁门等屏蔽而无法实现无线通讯，可以铺铺设专用通讯线，将数据上传。
3 系统组成
（1）水表。本系统所采用的计量水表是一种既能直观显示相关能耗计量数据，又能产生能耗计量脉冲信号的新型计量表具。它实际上是一种加装了永义磁铁和霍尔元件组成磁电传感器的水表，霍尔元件固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘（例如0.1m3或0.01m3）位上，当转盘每转一圈，永磁铁经过霍尔元件一次，即在信号端产生一个计量脉冲，对应0.1m3或.0.01m3，经无线发射器发送给数据处理器。另外，在水表上还装有防盗霍尔元件，当用户盗用水时，霍尔元件发出报警信号给数据处理器，数据处理器再通过电话线报告给管理计算机，以便做出处理。
(2)数据处理器。数据处理器是一个多功能模块，实现水表数据的自动抄收，将数据长期、可靠地存储，并在需要时将其传给管理计算机。具体来说，它用于接收水表数据及各种报警信号，累计住户用水量，通过电话线定期向管理计算机发送住户的有关数据。一台数据处理器对应一块水表，一般安装在电话机附近。数据处理器内部有可充电电流作为后备电源，在外部电源停电的情况下，则由充电电流单独向数据处理器供电，保证数据处理器正常工作。
（3）管理计算机。管理计算机是本系统的管理核心，可通过电话线下接许多数据处理器，数据处理器的个数基本不受限制。管理计算机能随时抄收每个用户水表的数据，并将数据保存在数据库中供查询，能对整个系统进行管理，对所抄数据进行处理。
4 系统硬件电气原理分述
4.1 水表发射器电气部分原理
水表发射器的功能是将水表计量的用水量，以无线通讯的方式传送给数据处理器。框图如图3所示。安装在水表内的霍尔传感器用来检测用水量，水表中每流过0.1t水，霍尔传感器就发出一个脉冲信号，经串稳态电路产生一个红1s宽的脉冲，再经施密特反相器4069整形后送入编码器PT2262进行编码，PT2262全码编址为4 11个，经编码后的数据送入无线发射模块进行发射，无线电发射频率为400MHz，有效距离为50m；同时发射器还具备一些附加功能。
（1）防盗功能。由于干式水表靠电磁传动的特点，它易受外磁场的影响。如果用户在水表附近放有强磁铁，它会使水表传动齿轮转速降低，使水表的测量精度降低。而发射器上另装有一个专用于测量磁场强度的霍尔传感器，当发现水表附近有强磁场时，霍尔传感器发出报警脉冲，经发射器无线传送给数据处理器。
（2）备用电池。为保证发射器在停电时能正常工作，在交流220V供电的同时，还备有一个4.8V的镍氢电池、由LM358、555组成的电池电压监测和充电电路，使电池能正常充电。后备电池可维持发射器连续工作48h。
4.2 数据处理器电气部分原理
数据处理器是本系统的关键设备。由无线接收和解码部分、时钟日历、8051及外围、电话收发电路、电源等部分组成。框图如图4所示。无线接收模块与发射模块工作在相同频率400MHz上；解码由PT2272完成，工作频率与PT2262相同， 地址编码与PT2262一致。时钟日历芯片DALLAS12887为系统提供准确的百年时钟日历，包括年、月、日、时、分、秒、星期和定时报警信号。
电话收发电路由拨号电路和音频解码电路组成。4-16译码妻MC4514模拟开关4066组成3*4虚拟键盘阵列，由8051控制过按键的开与合，完成将要拔出电话号码和上传数据的编码，并将电话号码和数据送入拨号电路。拨号专用芯片为W91312，晶振频率为3.58MH，接收到管理计算机机端的电话号码后立即拨出。当两端的握手信号完成，确认线路接通后，由8051控制将上传的数据以音频方式输出给管理计算机；音频解码电路的功能是将音频信号解码，以BCD码的形式输出。当数据处理器拨通管理计算机后，管理计算机端回复一个接通握手信号，该信号是音频信号，经交流放大电路放大后，送入音频解码芯片MC145436解码，最后以BCD码的形式送入8051。
系统供电采用220V交流和锂后备电池供电的双重方案，当住宅停电或人为断电时，系统仍可维持正常工作48h。
4.3 管理计算机通讯接口板电气部分原理
管理计算机通讯接口板由拨号电路、音频解码电路、电话振铃检测电路、光电隔离电路和电源电路组成，如图5所示。拨号电路和音频解码电路与数数处理器板上的相同。
5 系统软件
本系统软件由数据接收、数据转换和收费系统三部分组成。
（1）数据接收系统。由于需要从并口读取用户的用水量，所以在用户的用水量上来之后，先由数据接收系统将用户的数据转换成文本文件。此系统在操作系统启动后自动启动，且一直处于工作状态。
（2）数据转换系统。考虑到数据接收之后形成的是文本文件，不能直接进入数据库，所以设计一个数据转换系统将数据存入数据库。此系统在操作系统启动后自动启动，且一直处于工作状态。
（3）收费系统。在合法用户登录到本系统后，进行日常的业务处理。根据用户的计算机配置情况，该系统可以在单机环境下运行，也可以在网络环境下运行。
单机运行环境对计算机软、硬件的要求：操作系统为WIN95/WIN98；数据库为Oracle734。
网络运行环境对计算机软、硬件的要求：操作系统的客户端为WIN95/WIN98、服务器端为WIN2000/WINNT；
数据库的客户端为Oracle734；服务器端为Oracle8i；
硬盘：5G；
水作为一种有限的资源，越来越为人们所重视，节约用水已不再是一种倡议，而是我们的责任和义务。因此，对居民、企事业单位用水的准确计量是十分迫切的，一户一阀，一户一表已是大势所趋。另一方面，联一户一表工程的实施，居民用水的计量与收费的难度也逐渐加大，为了有效解决入户抄表收存在的诸多弊端，提高效率，避免入户抄表引发的治安问题，杜绝拖欠费用。因此，户外
智能抄表代替传统入户抄表势在必行。
在现有的智能抄表中，有通过动力线载波网络实现的，有通过铺设专用线实现的，比较两种智能抄表系统，用动力线载波网络实现局限性比较大，主要受变压器限制；通过铺设专用线来实现，施工工程比较大，改造费用也比较高。因此，采用公用电话网实现智能抄表系统，避免了上述的不利因素，适用面比较广泛，安装方便，不用铺线，改造费用也比较小，给用户带来很多方便。因此，应用前景非常广阔。
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