无线通信网络在阶梯水价智能抄表系统中的研究

    张妍　姜莹莹

    

    摘要：电子信息技术的快速发展，传统的水表抄表技术已经不能满足人们生活节奏高速运转的需求以及阶梯水价的普及工作，使得人们对抄表技术的要求越来越高，无线通信网络智能抄表系统能够实现远程水表的抄表功能，为阶梯水价的实施提供了有力保证。文章从无线通信网络智能远程抄表方案入手，探讨了智能抄表系统的框架组成及功能，侧重于无线通信网络在阶梯水价智能抄表系统中的应用。

    关键词：智能抄表；水表；无线通信；集中器

    在知识经济的时代，伴随我国科学技术不断进步，电子信息产业突飞猛进发展，使得人们在学习、工作和生活方式上都产生了巨大变化。我国是一个严重缺水的国家，水资源又是人民生活中不可缺少的能源之一，合理的对水资源进行开发、保护、利用和管理，已经成为全社会关注的问题。

    2014年1月3日国家发展和改革委员会、住房城乡建设部宣布：为引导居民节约用水，促进水资源可持续利用，2015年年底前，设市城市原则上要全面实行居民阶梯水价制度，所以水表的计量与水费的准确收取显得尤为重要。

    目前，新建住宅小区内的水表大多数都已经安装到室外，如何对用户使用的数据进行实时、可靠和准确的采集、存储并且处理成为专家们讨论的一个热点问题。

    1 无线通信网络智能远程抄表方案

    无线通信网络智能抄表系统在水表中的应用是指采用现代无线通信网络和计算机网络等技术自动读取和处理水表中的数据。无线通信网络方式的选择是无线通信网络智能远程抄表技术的关键。目前，国外许多国家在无线通信网络智能远程抄表方面发展成熟，数据传输采用的方式有：电缆、电力载波、无线电波、蓝牙、移动通信网络和物联网等。无线通信网络智能远程抄表系统正在呈现出多元化的发展趋势，目前采用的方案普遍有Ⅲ以下几种。

    1.1 电力载波抄表

    电力载波（Power Line Carrier）抄表系统是远程抄表系统中基本的通信方式，工作过程是把电力线作为传输桥梁，将发送端待传输的数据信号调制成高频信号然后叠加到电力线上进行高速传送，在接收端还原成原来的数据信号。电力载波抄表系统不需要另外布线，可以利用现有的电力网络，所以覆盖范围和现有的电网同步。它具有易实现、低成本、分布范围广、传输信息稳定可靠并且不需要维护的有线通信方式。目前国内对高压电力线载波技术发展比较成熟，对低压电力线载波技术研究比较缓慢，因为电力载波信号具有低阻抗特性，使得距离传输越远，信号衰减越大，对高速远程抄表造成困扰，同时在数据传输过程中低压电力线易受到严重的其他电磁信号或者脉冲信号等其他信号源的干扰，影响载波通信的质量，导致了电力载波抄表系统在我国还未能发展到令人满意的水平。

    1.2 总线抄表

    总线（Meter-Bus）通信是一种主从、半双工通信系统，已经形成了欧洲标准，也是目前国内采用比较多的一种下行通信方式，主要有RS-232、RS-485、RS-422等。具有数据传输稳定、可靠、速度快等特点。在工程中被最广泛使用的现场总线是在RS-422标准基础上研究产生的一种灵敏度高、驱动强、支持多节点的半双工异步RS-485标准。总线通信方式多采用并联形式，易遭外界因素破坏，因此布线工作量大，后期维护难。

    1.3 GSM短信息抄表

    GSM～Global System for Mobile Communications全球移动通信系统的英文简称，是一种功能齐全的第二代移动通讯系统，技术发展比较成熟，具有覆盖面积广、不需要新建基站、传输速度快、通信容量大、可靠性高等优势。目前由GSM网络提供的短信息服务已经被广泛应用在无线通信网络智能抄表系统中，不需要建立端对端的信息通道，将采集到的各个用户的数据按照相关协议处理后生成短信数据包，集中器通过GSM网络短信息的形式将数据包上传到GSM网络短信服务中心，短信服务中心再将数据通过专线的形式传送到水资源管理部门。如果数据发送过程中出现一些不确定的故障或者某些设备关闭问题，短信服务中心暂时能够把未发送成功的数据保留一段时间，每经过一定的时间间隔再次尝试发送，直至发送成功，达到远程智能抄表的目的。但在业务量大的系统中可能会发生信息拥塞或者数据丢失等现象。

    1.4 GPRS网络抄表

    GPRS是General Packet Radio Service通用分组无线业务的英文简称，是在现有的GSM通信网络系统上发展出来的一种新的分组数据业务，采用TDMA方式传输语音，介于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间，经常被描述成“2.56”。无线通信网络智能远程抄表系统通过GPRS网络连接到Internet网上，并与水资源管理部门的计算机主机进行数据通信。通信过程是将采集到的各个用户数据按照协议封装，然后通过GPRS网络发射模块发送出去，再由GPRS接收模块接收数据，经过Internet网络发送到水资源管理部门的计算机主机，实现用户数据和水资源管理部门的主计算机之间实时连接。

    以GSM网络为基础的GPRS网络，采用分组交换的高效率传输方式，具有以下特点：（1）激活GPRS后，不存在掉线情况，一直保持在线；（2）虽然一直在线，但只有产生通信数据流量才计费；（3）变换速率快、资源利用率高；（4）传输速率高，接入时间短，降低服务成本。因此，GPRS通信网络特别适用于频繁的、突发的、间断的少量数据量传输，或者偶尔的大数据量传输。

    2 智能抄表系统的框架组成及功能

    智能抄表系统的框架主要包括采集器、集中器和能源管理部门的管理控制服务中心，如图1所示。集中器是整个智能抄表系统中重要的管理者，不仅能够发挥对采集器所收集的数据信息进行分析、整理、储存的功能，还能够将管理控制服务中心发出的临时指令下达给采集器。

    居民小区每单元的采集器与该单元的所有用户水表下行通信方式连接起来，每个采集器负责采集所连接的单个住户水表用水量的信息，根据小区内住宅楼分布情况，将通信范围内所有采集器用总线形式连接到集中器上，集中器收集各采集终端数据，并进行数据预处理、储存，形成抄表局域网络，经过通信控制数据传输终端内置嵌入式处理器对收集到的数据进行处理、协议封装后发送给GPRS网络，再利用无线GPRS网络上行通信方式与管理控制服务中心系统进行实时通信，完成用户水表数据和管理控制服务中心系统数据的实时在线连接。

    管理服务控制中心的服务器接收到GPRS网络传回来的数据后，首先对数据进行安全认证，增强系统数据通信安全性能，然后传送到管理控制服务中心的计算机主机，通过系统软件对数据进行还原处理并显示。管理控制服务中心的计算机主机能够进行数据管理、业务管理和计费管理，对所管辖的水表数据进行存储、统计、分析、管理等，当异常情况发生的时候，能够发出报警信息，同时对各个用户使用水量情况进行实时监控。各个用水量住户可以电脑或者手机终端登录管理控制服务中心网站查询用水情况，及时准确的知道目前用水量处于阶梯水价的第几个阶段，是否还有水费，方便家庭生活的需要。

    智能抄表系统可以根据实际工作情况的需要，对水表数据信息进行定时采集，并发挥智能抄表系统双向通信的功能。例如在正常的工作状态下，用户的水表数据信息按设定的固定时间上传，如果遇到特殊情况需要即时了解用户的水表数据信息，就要由管理控制服务中心下达抄表指令，当节点接收到指令后，调整用户的水表数据信息传输时间，转为实时抄送。

    为了确保每一个模块的工作状态都可以接受任意时间的网络检测，需要设置报警设备，当模块在工作中出现故障的时候（如采集器数据溢出或者集中器上传信息为零等问题），就会同步启动报警设备，并及时通过网络将故障信息第一时间报告给管理控制服务中心。

    综上所述，无线通信网络智能抄表系统能够提供全面实时的数据、不间断的系统监控，非常适合应用在阶梯水价数据统计中，同时也为普及阶梯水价提供有效的数据分析支撑。因此，无线通信网络智能抄表系统在阶梯水价中会得到广泛应用。