物聯網水表在民用水費計量中的應用

于雪

摘要：物聯網水表作為新型民用計量水表，是北京市自來水集團2011年科研項目之一，同年在密云新城地區進行試驗應用。該水表器具及系統的應用解決了高層住宅抄表和階梯水價水費計量的難題，方便了采集表具數據，提高了供水企業的服務質量和管理水平，截止到2013年密云新城共安裝該水表2100多塊、主要試用于綠港小區、鼓樓小區、水岸花墅、首創瀾茵山四個新建小區，取得了階段性的成果。該水表及系統的試驗應用意思不僅僅是技術改進，重要的是使其在未來各項水務管理中發揮至關重要的作用，擁有更廣闊的推廣使用前景。但是作為新興的民用計量水表，其普及和應用還有一些問題有待進一步的改進。

關鍵詞：物聯網；物聯水表；水費計量

一、物聯網水表的概念

1、物聯網技術概念

“物聯網技術”是在互聯網技術基礎上的延伸和擴展的一種網絡技術，其用戶端延伸和擴展到了任何物品和物品之間，進行信息交換和通訊。物聯網的英文名稱是“The Internet of things”，意思是“物物相連的互聯網”。因此物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。

2、物聯網水表的概念

本文介紹的物聯網智能水表及其控制系統，屬一種自來水表，水表上設置有水源入口與水源出口，水源入口上安裝有閥組件與水流量測量裝置，且水表中還包括CPU控制器，CPU控制器連接水流量測量裝置，從水流量測量裝置中讀取計量信息，并依照數據信息扣除EPPROM存儲器儲存的初始值；CPU控制器還通過閥組件控制電路連接閥組件，控制閥組件的開啟與關閉，結構簡單，適合在各個地區安裝使用，應用范圍廣闊。

二、物聯網水表

1、項目背景

檀州自來水公司主要承擔著北京市密云縣城30平方公里，20萬居住人口生產和生活供水的任務。現有用戶8萬余戶，其中機關及企事業單位1200余戶；普通機械水表用戶6.1萬余戶，IC卡水表用戶2萬余戶，每年平均新增3000多個用戶。2001年開始使用的IC卡水表，由于其表具本身無法實現實時監控，入戶回訪也越來越困難，老舊樓房水表超期服役，計量精度降低，在階梯水價實施的大環境下，急需用新型水表來替代。通過對物聯網水表及系統的考察，從2011年1月起，開始在密云新城供水范圍內試驗應用該水表。

2、水表外形

物聯網水表以濕式水表做基礎，采用GSM通訊方式，用于計量和控制流經小口徑自來水管道冷水的總量，每塊水表內置了一張SIAM卡，具有遠程雙向實時通訊功能、通過這張SIAM卡和信息交換平臺，實現數據的傳輸和信息的共享。

⑵閥門參數：

新裝閥門在水源壓力不大于1.0Mpa時，開關閥所需扭矩4.0kgf·cm；在水源壓力為0.2Mpa～1.0Mpa時，將閥門開關1000次后，使閥門處于關閉狀態，基表泄露量不大于0.005m3/h。閥門最高適合溫度95度，使用壽命大于10000次。

⑶閥門驅動系統參數

采用直流電機做齒輪減速系統驅動閥門開關，電機的工作電源為2.2V～3.8V，在0.2Mpa～1.0Mpa的水源壓力時，電源3.3V電機驅動開關閥的最大工作電流不大于70mA，在3.3V電源時，開關閥時間不大于15秒。

⑷電壓參數

電源工作電壓范圍為 DC4.5V～6.5V，電源適配器直流5V、2A，或者4節5號堿性電池。

⑸液晶顯示

最小計量單位顯示為0.1 m3，最大購買次數為999次 （循環），單次購買量范圍：1 m3-4095 m3（取決于銷售管理系統）。

4、物聯網控制系統的功能介紹

物聯網控制系統可以實現對用戶以及水表的信息管理、各區域及用戶用水量的統計數據、遠程控制表具、價格發布及向用戶發送的通知公告等功能。用戶可以利用手機、固定電話、互聯網繳納水費、查詢用水明細。該系統主要構成包括：業務管理、表具監控、統計報表、價格管理、職能權限、網頁資訊六個子系統。

三、物聯網水表特性及優點

物聯網水表產生和依存于當下這個科技飛速發展的網絡時代，因此該水表及系統與其它水表相比有著無可比擬的優勢，主要體現在以下幾個方面：

1、遠程控制

通過手機提示報警，用戶可以及時了解到表具閥門開啟時間過長、購水量不足、電池電量低等異常狀態，并能及時收到水價變更、停水、表故障等各種人性化的手機短息服務，并利用編輯短信可以隨時查詢水表余量、遠程開關閥門等。

2、水價計量

通過預先輸入控制系統的階梯價格計算公式，對定期抄收的終端表具數據進行計算，得出用戶應繳納的階梯費用。省掉了手工或半自動化的階梯價格計算的麻煩，加上該水表計量的精確度優于普通水表，方便供水企業階梯水價計量。

3、電子帳單

通過控制系統自動生成電子賬單，發送給用戶的手機或郵箱，實現無紙化辦公，也可通過手機、網銀等實現網絡繳費。用戶可以選擇多樣性的充值方式，用戶不用再去營業廳或指定的網點繳納水費，只要通過手機短信、電話、上網就可以實現對水表的充值降低了出行成本，支持了綠色低碳出行的。

4、數據平臺

遠程用戶終端水量數據通過物聯網，將終端表具的數據發送到管理平臺，供水企業可以隨時抄收提取水表的使用數據，進行成本核算以及快速及時的對于故障水表的維修更換。通過采集上來的表具數據，分析用戶資源使用習慣，提高管理效率。提供數據備份及恢復，可選擇路徑、服務器地址等，也可以備份到本地服務器中，離線使用部分查詢統計功能。

5、柔性管理

通過建立供水企業的公共網站，使之與物聯網水表的管理運營平臺進行對接。用戶可以通過這個公用平臺實現繳費充值、業務咨詢、在線答疑、信息查詢、業務辦理、投訴建議、了解最新的政策公告以及故障報修等業務服務。

6、異常消費分析

根據之前的數據模型對抄收上來的終端表具數據進行篩選，找出階段用量不正常的用戶，俗稱黑名單功能。也用于通過比對小區大表與居民表數據之間差值，找出用量不正常的用戶，或發現管道漏洞，防患于未然。

7、委托代管

對于一些在密云地區買房并以度假為目的的客戶，平時需要花草養護以、鍋爐采暖等用水需求，往往這種時候客戶就會很麻煩，而這種水表可以方便物業公司對住宅的用水進行委托管理。

四、物聯網水表實驗應用

1、產品初次測試

2011年1月1至2011年5月31日，進行初步試驗，在小范圍內應用水表及其運營系統，在自來水公司辦公大樓、密東廣場商戶和檀州家園商戶共安裝4塊該水表，進行初次測試工作。主要內容為該表具及后臺系統的運營，根據系統功能列表對功能逐一進行了測試，并按全部實現、部分實現、未實現進行了歸類，在此基礎上，結合實際應用對部分功能進行了剔出和修改。

2、產品小規模安裝及應用

自2011年1月1日至2013年12月31日止，對試驗小區進行水表安裝，對物聯網水表功能及后臺系統有較大范圍的應用試用，對各項功能進一步進行測試及改進。在密云縣綠港小區、鼓樓小區、海闊水岸花墅、首創瀾茵山等4個小區的共計安裝2100塊物聯網水表。隨著該水表大批量的應用，物聯網水表及系統陸續出現了充值延時、充值失敗、電源適配器損壞、充值報表與實際金額不符、后臺不能登錄、閥門故障等的問題。

五、實驗應用中出現的產品問題

通過近兩年對物聯網水表及系統的階段性試驗和應用過程，發現該表具及系統主要的問題包括如下四大類問題：

1、表具本身的問題

⑴因故障更換了302只水表電源適配器，故障率14.4%。電源適配器穩定性較低，需要提高適配器性能；

⑵水表全部斷電恢復供電后只能手動開啟方可恢復供水，希望能夠改為自動恢復供水；

⑶出現66只水表死機狀況，需斷電10-30分鐘重啟解決；

⑷出現762只水表充值失敗，故障率36.3%。

2、數據信息的問題

⑴需要在表具信息查詢中增加了安裝地址、時間、證件號碼、客戶購水信息等選項，使查詢和充值更實用、更便捷；

⑵需要完善了更換新的CT卡芯片流程，在換表和過戶環節中，將舊表關聯信息一并導入新表，同時在換表的同時，將舊表余額導入新表，并自動產生換表記錄和操作日志；

⑶需增設黑名單設置條件，使后臺系統可以多方位、動態提取，讓管理更有針對性；

⑷需完善了報警參數的設定，讓用戶得到水量信息、閥門開閉、以及家中無人狀況下可能出現漏水等更多人性化的提示。

3、系統運行的問題

⑴需要完善、細化了各類報表；

⑵應增加“退水費”功能，可以以權限管理方式，完善退水費的管理程序，如經總經理授權后，方可完成退水費操作；

⑶“表具信息管理”中，應增加“表具狀態”功能欄，對“未安裝（庫存表）”、“已安裝（已安裝但未開戶）”、“已開戶（已經投入使用）”的水表狀態進行統計管理；

⑷“數據采集”功能中，以小區為單位進行采集時，不能實現；

⑸“表具報修”應增加“核銷和解決方式、處理人員姓名”等信息；

⑹原來黑名單報表、報警信息報表、報修信息統計表等所有表格形式的內容，只要能顯示的內容，應該都增加打印功能。

4、人文環境的問題

人的因素才是造成科技產品普及應用的最大決定因素。對于一些歲數偏大、文化偏低的客戶而言，由于對目前廣泛應用的電子設備及網絡一無所知，相關的手機或網絡操作讓他們難以理解和使用，對于這些客戶供水企業不得不將物聯網水表重新更換為普通計量水表。

六、技術改進

在大規模試驗階段發現該水表問題諸多，我們在不斷地改進表具本身問題的同時，也在不斷的對表具進行技術改造。

1、內置天線

設計之初水表使用普通的外置天線，經過實用發現其信號差、抗干擾能力弱、暴露已損壞、用戶的充值信息因此會發生丟失現象，以及受到非人為干擾后發出垃圾報警信息。現改造為內置“智能”天線，它具有信號強、具備識別正常干擾能力、結構更加合理。

2、備用電源

該水表采用了外接電源的供電方式，但是我們在應用實驗階段發現停電會影響用戶用水，因此我們要求廠家在設備上加入備用電池后，即使加裝備用電源以后停電也不會造成用戶用水問題。

3、增加系統功能

加入自動控制閥門檢測功能，定期、分區域對水表進行遠程操作，減少雜質對于長期處于停滯狀態下的閥門的禁錮，并將當時水表的運行狀態進行采集，對于可能出現的問題隱患主動檢修和維護。

4、機卡分離

CT卡與基表的機卡分離，更換新的CT卡芯片可以實現數據的導入和新用戶的延續使用，這樣維修更簡便，可以分步排查故障原因。

七、未來應用中可能出現的問題

1、通訊網絡問題

網絡基于公共網絡技術和通信制造商，只要聯通或者移動等通訊運營商仍然在運營，理論上講表具就可以正常通訊，不會影響用戶的正常使用。但是由于完全依賴公共網絡運營商，在某些方面就難免受運營商的限制，比如信號強度和資費等，這個問題的解決有待于國家關于物聯網應用的政策和法律的確立。

2、安全管理問題

因為所有服務器都托管在聯通IDC機房，應用程序和數據都在這些服務器內，后臺管理系統完全依托公用資源，在網絡時代，黑客等的存在將會嚴重威脅數據的管理安全。

3、表具成本問題

表具通過CT卡實現通訊及控制，因此CT卡可能受到廠家及通訊上的制約，會給供水企業運營成本帶來不確定因素。

八、結論

物聯網的技術應用到水務工作中，是未來水表發展和延伸的必經之路。在這條路上，物聯網水表的應用和發展還是在剛剛起步的初級階段，在這個階段就需要供水企業的大力配合和指導，必須經過大量試驗測試，才能形成一個在本地區適用并且有用的技術產品。希望本文能為今后物聯網水表的發展和應用提供堅實可靠的參考方案和數據資料，也希望能為供水企業的可持續發展提供技術支持和使用經驗。

參考文獻：

[1]《物聯網的起源和發展背景的研究》甘志祥.

[2]《北京市信息化基礎設施提升計劃》北京市經濟和信息化委員會

[3]《物聯網技術及應用》王毅

[4]《預付費水表的應用及發展前景分析》李曉仲 周建軍