無線通信網絡在階梯水價智能抄表系統中的研究

張妍　姜瑩瑩

摘要：電子信息技術的快速發展，傳統的水表抄表技術已經不能滿足人們生活節奏高速運轉的需求以及階梯水價的普及工作，使得人們對抄表技術的要求越來越高，無線通信網絡智能抄表系統能夠實現遠程水表的抄表功能，為階梯水價的實施提供了有力保證。文章從無線通信網絡智能遠程抄表方案入手，探討了智能抄表系統的框架組成及功能，側重于無線通信網絡在階梯水價智能抄表系統中的應用。

關鍵詞：智能抄表；水表；無線通信；集中器

在知識經濟的時代，伴隨我國科學技術不斷進步，電子信息產業突飛猛進發展，使得人們在學習、工作和生活方式上都產生了巨大變化。我國是一個嚴重缺水的國家，水資源又是人民生活中不可缺少的能源之一，合理的對水資源進行開發、保護、利用和管理，已經成為全社會關注的問題。

2014年1月3日國家發展和改革委員會、住房城鄉建設部宣布：為引導居民節約用水，促進水資源可持續利用，2015年年底前，設市城市原則上要全面實行居民階梯水價制度，所以水表的計量與水費的準確收取顯得尤為重要。

目前，新建住宅小區內的水表大多數都已經安裝到室外，如何對用戶使用的數據進行實時、可靠和準確的采集、存儲并且處理成為專家們討論的一個熱點問題。

1 無線通信網絡智能遠程抄表方案

無線通信網絡智能抄表系統在水表中的應用是指采用現代無線通信網絡和計算機網絡等技術自動讀取和處理水表中的數據。無線通信網絡方式的選擇是無線通信網絡智能遠程抄表技術的關鍵。目前，國外許多國家在無線通信網絡智能遠程抄表方面發展成熟，數據傳輸采用的方式有：電纜、電力載波、無線電波、藍牙、移動通信網絡和物聯網等。無線通信網絡智能遠程抄表系統正在呈現出多元化的發展趨勢，目前采用的方案普遍有Ⅲ以下幾種。

1.1 電力載波抄表

電力載波（Power Line Carrier）抄表系統是遠程抄表系統中基本的通信方式，工作過程是把電力線作為傳輸橋梁，將發送端待傳輸的數據信號調制成高頻信號然后疊加到電力線上進行高速傳送，在接收端還原成原來的數據信號。電力載波抄表系統不需要另外布線，可以利用現有的電力網絡，所以覆蓋范圍和現有的電網同步。它具有易實現、低成本、分布范圍廣、傳輸信息穩定可靠并且不需要維護的有線通信方式。目前國內對高壓電力線載波技術發展比較成熟，對低壓電力線載波技術研究比較緩慢，因為電力載波信號具有低阻抗特性，使得距離傳輸越遠，信號衰減越大，對高速遠程抄表造成困擾，同時在數據傳輸過程中低壓電力線易受到嚴重的其他電磁信號或者脈沖信號等其他信號源的干擾，影響載波通信的質量，導致了電力載波抄表系統在我國還未能發展到令人滿意的水平。

1.2 總線抄表

總線（Meter-Bus）通信是一種主從、半雙工通信系統，已經形成了歐洲標準，也是目前國內采用比較多的一種下行通信方式，主要有RS-232、RS-485、RS-422等。具有數據傳輸穩定、可靠、速度快等特點。在工程中被最廣泛使用的現場總線是在RS-422標準基礎上研究產生的一種靈敏度高、驅動強、支持多節點的半雙工異步RS-485標準。總線通信方式多采用并聯形式，易遭外界因素破壞，因此布線工作量大，后期維護難。

1.3 GSM短信息抄表

GSM～Global System for Mobile Communications全球移動通信系統的英文簡稱，是一種功能齊全的第二代移動通訊系統，技術發展比較成熟，具有覆蓋面積廣、不需要新建基站、傳輸速度快、通信容量大、可靠性高等優勢。目前由GSM網絡提供的短信息服務已經被廣泛應用在無線通信網絡智能抄表系統中，不需要建立端對端的信息通道，將采集到的各個用戶的數據按照相關協議處理后生成短信數據包，集中器通過GSM網絡短信息的形式將數據包上傳到GSM網絡短信服務中心，短信服務中心再將數據通過專線的形式傳送到水資源管理部門。如果數據發送過程中出現一些不確定的故障或者某些設備關閉問題，短信服務中心暫時能夠把未發送成功的數據保留一段時間，每經過一定的時間間隔再次嘗試發送，直至發送成功，達到遠程智能抄表的目的。但在業務量大的系統中可能會發生信息擁塞或者數據丟失等現象。

1.4 GPRS網絡抄表

GPRS是General Packet Radio Service通用分組無線業務的英文簡稱，是在現有的GSM通信網絡系統上發展出來的一種新的分組數據業務，采用TDMA方式傳輸語音，介于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術之間，經常被描述成“2.56”。無線通信網絡智能遠程抄表系統通過GPRS網絡連接到Internet網上，并與水資源管理部門的計算機主機進行數據通信。通信過程是將采集到的各個用戶數據按照協議封裝，然后通過GPRS網絡發射模塊發送出去，再由GPRS接收模塊接收數據，經過Internet網絡發送到水資源管理部門的計算機主機，實現用戶數據和水資源管理部門的主計算機之間實時連接。

以GSM網絡為基礎的GPRS網絡，采用分組交換的高效率傳輸方式，具有以下特點：（1）激活GPRS后，不存在掉線情況，一直保持在線；（2）雖然一直在線，但只有產生通信數據流量才計費；（3）變換速率快、資源利用率高；（4）傳輸速率高，接入時間短，降低服務成本。因此，GPRS通信網絡特別適用于頻繁的、突發的、間斷的少量數據量傳輸，或者偶爾的大數據量傳輸。

2 智能抄表系統的框架組成及功能

智能抄表系統的框架主要包括采集器、集中器和能源管理部門的管理控制服務中心，如圖1所示。集中器是整個智能抄表系統中重要的管理者，不僅能夠發揮對采集器所收集的數據信息進行分析、整理、儲存的功能，還能夠將管理控制服務中心發出的臨時指令下達給采集器。

居民小區每單元的采集器與該單元的所有用戶水表下行通信方式連接起來，每個采集器負責采集所連接的單個住戶水表用水量的信息，根據小區內住宅樓分布情況，將通信范圍內所有采集器用總線形式連接到集中器上，集中器收集各采集終端數據，并進行數據預處理、儲存，形成抄表局域網絡，經過通信控制數據傳輸終端內置嵌入式處理器對收集到的數據進行處理、協議封裝后發送給GPRS網絡，再利用無線GPRS網絡上行通信方式與管理控制服務中心系統進行實時通信，完成用戶水表數據和管理控制服務中心系統數據的實時在線連接。

管理服務控制中心的服務器接收到GPRS網絡傳回來的數據后，首先對數據進行安全認證，增強系統數據通信安全性能，然后傳送到管理控制服務中心的計算機主機，通過系統軟件對數據進行還原處理并顯示。管理控制服務中心的計算機主機能夠進行數據管理、業務管理和計費管理，對所管轄的水表數據進行存儲、統計、分析、管理等，當異常情況發生的時候，能夠發出報警信息，同時對各個用戶使用水量情況進行實時監控。各個用水量住戶可以電腦或者手機終端登錄管理控制服務中心網站查詢用水情況，及時準確的知道目前用水量處于階梯水價的第幾個階段，是否還有水費，方便家庭生活的需要。

智能抄表系統可以根據實際工作情況的需要，對水表數據信息進行定時采集，并發揮智能抄表系統雙向通信的功能。例如在正常的工作狀態下，用戶的水表數據信息按設定的固定時間上傳，如果遇到特殊情況需要即時了解用戶的水表數據信息，就要由管理控制服務中心下達抄表指令，當節點接收到指令后，調整用戶的水表數據信息傳輸時間，轉為實時抄送。

為了確保每一個模塊的工作狀態都可以接受任意時間的網絡檢測，需要設置報警設備，當模塊在工作中出現故障的時候（如采集器數據溢出或者集中器上傳信息為零等問題），就會同步啟動報警設備，并及時通過網絡將故障信息第一時間報告給管理控制服務中心。

綜上所述，無線通信網絡智能抄表系統能夠提供全面實時的數據、不間斷的系統監控，非常適合應用在階梯水價數據統計中，同時也為普及階梯水價提供有效的數據分析支撐。因此，無線通信網絡智能抄表系統在階梯水價中會得到廣泛應用。