物联网水表在民用水费计量中的应用

于雪

摘要：物联网水表作为新型民用计量水表，是北京市自来水集团2011年科研项目之一，同年在密云新城地区进行试验应用。该水表器具及系统的应用解决了高层住宅抄表和阶梯水价水费计量的难题，方便了采集表具数据，提高了供水企业的服务质量和管理水平，截止到2013年密云新城共安装该水表2100多块、主要试用于绿港小区、鼓楼小区、水岸花墅、首创澜茵山四个新建小区，取得了阶段性的成果。该水表及系统的试验应用意思不仅仅是技术改进，重要的是使其在未来各项水务管理中发挥至关重要的作用，拥有更广阔的推广使用前景。但是作为新兴的民用计量水表，其普及和应用还有一些问题有待进一步的改进。

关键词：物联网；物联水表；水费计量

一、物联网水表的概念

1、物联网技术概念

“物联网技术”是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术，其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯。物联网的英文名称是“The Internet of things”，意思是“物物相连的互联网”。因此物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

2、物联网水表的概念

本文介绍的物联网智能水表及其控制系统，属一种自来水表，水表上设置有水源入口与水源出口，水源入口上安装有阀组件与水流量测量装置，且水表中还包括CPU控制器，CPU控制器连接水流量测量装置，从水流量测量装置中读取计量信息，并依照数据信息扣除EPPROM存储器储存的初始值；CPU控制器还通过阀组件控制电路连接阀组件，控制阀组件的开启与关闭，结构简单，适合在各个地区安装使用，应用范围广阔。

二、物联网水表

1、项目背景

檀州自来水公司主要承担着北京市密云县城30平方公里，20万居住人口生产和生活供水的任务。现有用户8万余户，其中机关及企事业单位1200余户；普通机械水表用户6.1万余户，IC卡水表用户2万余户，每年平均新增3000多个用户。2001年开始使用的IC卡水表，由于其表具本身无法实现实时监控，入户回访也越来越困难，老旧楼房水表超期服役，计量精度降低，在阶梯水价实施的大环境下，急需用新型水表来替代。通过对物联网水表及系统的考察，从2011年1月起，开始在密云新城供水范围内试验应用该水表。

2、水表外形

物联网水表以湿式水表做基础，采用GSM通讯方式，用于计量和控制流经小口径自来水管道冷水的总量，每块水表内置了一张SIAM卡，具有远程双向实时通讯功能、通过这张SIAM卡和信息交换平台，实现数据的传输和信息的共享。

⑵阀门参数：

新装阀门在水源压力不大于1.0Mpa时，开关阀所需扭矩4.0kgf·cm；在水源压力为0.2Mpa～1.0Mpa时，将阀门开关1000次后，使阀门处于关闭状态，基表泄露量不大于0.005m3/h。阀门最高适合温度95度，使用寿命大于10000次。

⑶阀门驱动系统参数

采用直流电机做齿轮减速系统驱动阀门开关，电机的工作电源为2.2V～3.8V，在0.2Mpa～1.0Mpa的水源压力时，电源3.3V电机驱动开关阀的最大工作电流不大于70mA，在3.3V電源时，开关阀时间不大于15秒。

⑷电压参数

电源工作电压范围为 DC4.5V～6.5V，电源适配器直流5V、2A，或者4节5号碱性电池。

⑸液晶显示

最小计量单位显示为0.1 m3，最大购买次数为999次 （循环），单次购买量范围：1 m3-4095 m3（取决于销售管理系统）。

4、物联网控制系统的功能介绍

物联网控制系统可以实现对用户以及水表的信息管理、各区域及用户用水量的统计数据、远程控制表具、价格发布及向用户发送的通知公告等功能。用户可以利用手机、固定电话、互联网缴纳水费、查询用水明细。该系统主要构成包括：业务管理、表具监控、统计报表、价格管理、职能权限、网页资讯六个子系统。

三、物联网水表特性及优点

物联网水表产生和依存于当下这个科技飞速发展的网络时代，因此该水表及系统与其它水表相比有着无可比拟的优势，主要体现在以下几个方面：

1、远程控制

通过手机提示报警，用户可以及时了解到表具阀门开启时间过长、购水量不足、电池电量低等异常状态，并能及时收到水价变更、停水、表故障等各种人性化的手机短息服务，并利用编辑短信可以随时查询水表余量、远程开关阀门等。

2、水价计量

通过预先输入控制系统的阶梯价格计算公式，对定期抄收的终端表具数据进行计算，得出用户应缴纳的阶梯费用。省掉了手工或半自动化的阶梯价格计算的麻烦，加上该水表计量的精确度优于普通水表，方便供水企业阶梯水价计量。

3、电子帐单

通过控制系统自动生成电子账单，发送给用户的手机或邮箱，实现无纸化办公，也可通过手机、网银等实现网络缴费。用户可以选择多样性的充值方式，用户不用再去营业厅或指定的网点缴纳水费，只要通过手机短信、电话、上网就可以实现对水表的充值降低了出行成本，支持了绿色低碳出行的。

4、数据平台

远程用户终端水量数据通过物联网，将终端表具的数据发送到管理平台，供水企业可以随时抄收提取水表的使用数据，进行成本核算以及快速及时的对于故障水表的维修更换。通过采集上来的表具数据，分析用户资源使用习惯，提高管理效率。提供数据备份及恢复，可选择路径、服务器地址等，也可以备份到本地服务器中，离线使用部分查询统计功能。

5、柔性管理

通过建立供水企业的公共网站，使之与物联网水表的管理运营平台进行对接。用户可以通过这个公用平台实现缴费充值、业务咨询、在线答疑、信息查询、业务办理、投诉建议、了解最新的政策公告以及故障报修等业务服务。

6、异常消费分析

根据之前的数据模型对抄收上来的终端表具数据进行筛选，找出阶段用量不正常的用户，俗称黑名单功能。也用于通过比对小区大表与居民表数据之间差值，找出用量不正常的用户，或发现管道漏洞，防患于未然。

7、委托代管

对于一些在密云地区买房并以度假为目的的客户，平时需要花草养护以、锅炉采暖等用水需求，往往这种时候客户就会很麻烦，而这种水表可以方便物业公司对住宅的用水进行委托管理。

四、物联网水表实验应用

1、产品初次测试

2011年1月1至2011年5月31日，进行初步试验，在小范围内应用水表及其运营系统，在自来水公司办公大楼、密东广场商户和檀州家园商户共安装4块该水表，进行初次测试工作。主要内容为该表具及后台系统的运营，根据系统功能列表对功能逐一进行了测试，并按全部实现、部分实现、未实现进行了归类，在此基础上，结合实际应用对部分功能进行了剔出和修改。

2、产品小规模安装及应用

自2011年1月1日至2013年12月31日止，对试验小区进行水表安装，对物联网水表功能及后台系统有较大范围的应用试用，对各项功能进一步进行测试及改进。在密云县绿港小区、鼓楼小区、海阔水岸花墅、首创澜茵山等4个小区的共计安装2100块物联网水表。随着该水表大批量的应用，物联网水表及系统陆续出现了充值延时、充值失败、电源适配器损坏、充值报表与实际金额不符、后台不能登录、阀门故障等的问题。

五、实验应用中出现的产品问题

通过近两年对物联网水表及系统的阶段性试验和应用过程，发现该表具及系统主要的问题包括如下四大类问题：

1、表具本身的问题

⑴因故障更换了302只水表电源适配器，故障率14.4%。电源适配器稳定性较低，需要提高适配器性能；

⑵水表全部断电恢复供电后只能手动开启方可恢复供水，希望能够改为自动恢复供水；

⑶出现66只水表死机状况，需断电10-30分钟重启解决；

⑷出现762只水表充值失败，故障率36.3%。

2、数据信息的问题

⑴需要在表具信息查询中增加了安装地址、时间、证件号码、客户购水信息等选项，使查询和充值更实用、更便捷；

⑵需要完善了更换新的CT卡芯片流程，在换表和过户环节中，将旧表关联信息一并导入新表，同时在换表的同时，将旧表余额导入新表，并自动产生换表记录和操作日志；

⑶需增设黑名单设置条件，使后台系统可以多方位、动态提取，让管理更有针对性；

⑷需完善了报警参数的设定，让用户得到水量信息、阀门开闭、以及家中无人状况下可能出现漏水等更多人性化的提示。

3、系统运行的问题

⑴需要完善、细化了各类报表；

⑵应增加“退水费”功能，可以以权限管理方式，完善退水费的管理程序，如经总经理授权后，方可完成退水费操作；

⑶“表具信息管理”中，应增加“表具状态”功能栏，对“未安装（库存表）”、“已安装（已安装但未开户）”、“已开户（已经投入使用）”的水表状态进行统计管理；

⑷“数据采集”功能中，以小区为单位进行采集时，不能实现；

⑸“表具报修”应增加“核销和解决方式、处理人员姓名”等信息；

⑹原来黑名单报表、报警信息报表、报修信息统计表等所有表格形式的内容，只要能显示的内容，应该都增加打印功能。

4、人文环境的问题

人的因素才是造成科技产品普及应用的最大决定因素。对于一些岁数偏大、文化偏低的客户而言，由于对目前广泛应用的电子设备及网络一无所知，相关的手机或网络操作让他们难以理解和使用，对于这些客户供水企业不得不将物联网水表重新更换为普通计量水表。

六、技术改进

在大规模试验阶段发现该水表问题诸多，我们在不断地改进表具本身问题的同时，也在不断的对表具进行技术改造。

1、内置天线

设计之初水表使用普通的外置天線，经过实用发现其信号差、抗干扰能力弱、暴露已损坏、用户的充值信息因此会发生丢失现象，以及受到非人为干扰后发出垃圾报警信息。现改造为内置“智能”天线，它具有信号强、具备识别正常干扰能力、结构更加合理。

2、备用电源

该水表采用了外接电源的供电方式，但是我们在应用实验阶段发现停电会影响用户用水，因此我们要求厂家在设备上加入备用电池后，即使加装备用电源以后停电也不会造成用户用水问题。

3、增加系统功能

加入自动控制阀门检测功能，定期、分区域对水表进行远程操作，减少杂质对于长期处于停滞状态下的阀门的禁锢，并将当时水表的运行状态进行采集，对于可能出现的问题隐患主动检修和维护。

4、机卡分离

CT卡与基表的机卡分离，更换新的CT卡芯片可以实现数据的导入和新用户的延续使用，这样维修更简便，可以分步排查故障原因。

七、未来应用中可能出现的问题

1、通讯网络问题

网络基于公共网络技术和通信制造商，只要联通或者移动等通讯运营商仍然在运营，理论上讲表具就可以正常通讯，不会影响用户的正常使用。但是由于完全依赖公共网络运营商，在某些方面就难免受运营商的限制，比如信号强度和资费等，这个问题的解决有待于国家关于物联网应用的政策和法律的确立。

2、安全管理问题

因为所有服务器都托管在联通IDC机房，应用程序和数据都在这些服务器内，后台管理系统完全依托公用资源，在网络时代，黑客等的存在将会严重威胁数据的管理安全。

3、表具成本问题

表具通过CT卡实现通讯及控制，因此CT卡可能受到厂家及通讯上的制约，会给供水企业运营成本带来不确定因素。

八、结论

物联网的技术应用到水务工作中，是未来水表发展和延伸的必经之路。在这条路上，物联网水表的应用和发展还是在刚刚起步的初级阶段，在这个阶段就需要供水企业的大力配合和指导，必须经过大量试验测试，才能形成一个在本地区适用并且有用的技术产品。希望本文能为今后物联网水表的发展和应用提供坚实可靠的参考方案和数据资料，也希望能为供水企业的可持续发展提供技术支持和使用经验。

参考文献：

[1]《物联网的起源和发展背景的研究》甘志祥.

[2]《北京市信息化基础设施提升计划》北京市经济和信息化委员会

[3]《物联网技术及应用》王毅

[4]《预付费水表的应用及发展前景分析》李晓仲 周建军