物联网技术下的智能水表系统建构

张蓓

[摘    要]水表是供水企业营销管理过程中的基础性计量工具，关系到整个供水企业的水量计算与费用生成。在以往主要使用的是基于无线技术的水表，受其功能大、信号覆盖低等特点的影响，增加了水务部门对水资源的管理难度。基于此，在物联网技术下，以重庆巨泰物联网集团有限公司生产提供的某系列智能水表为例，通过介绍物联网智能水表应用优势，为解决以往遇到的问题，从硬件系统及软件系统各方面对智能水表进行系统建构，经过应用后得到该系统可以满足居民可以及时掌握用水情况，同时实现水务部门对水表智能化管理，为未来新型智能城市建设与发展提供技术帮助。

[关键词]物联网;智能水表;信息采集;系统建构

[中图分类号]TP391.44 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）10–000–03

The Construction of Smart Water Meter System Under the Internet of Things Technology

Zhang Bei

[Abstract]Water meter is a basic measurement tool in the marketing and management process of water supply enterprises， and is related to the calculation of water volume and cost generation of the entire water supply enterprise. In the past， water meters based on wireless technology were mainly used. Due to their large functions and low signal coverage， it has increased the difficulty of water management for water resources. Based on this， this research is based on the Internet of Things technology， taking a series of smart water meters produced by our company as an example， and introducing the advantages of smart water meters of the Internet of Things， in order to solve the problems encountered in the past， from the hardware system and the software system. Facing the construction of a smart water meter system， after application， the system can satisfy residents to grasp the water consumption situation in time， and at the same time realize the intelligent management of water meters by the water affairs department， providing technical assistance for the construction and development of new smart cities in the future.

[Keywords]Internet of Things; smart water meter; information collection; system construction

物联网是指通过信息传感媒介，按照相关约定协议进行信息交换和通信，以实现智能化各项功能。近几年，物联网技术的发展在工业、医疗及物流等行业中得到广泛的应用。而物联网技术下所生产的智能水表是一款新型智能化水表，该水表与传统水表使用方式不同，可以解决以往使用功耗大、网路覆盖面小计数据安全性低等问题。目前，由于城市化建设进程较快，新装水表与水表维护的工作量逐渐增多，为了实现水务公司对水表管理工作精细化与智能化，需要对智能水表系统进行设计，方便数据传输与远程控制。

1 物联网技术下智能水表应用优势

物联网智能水表是一种利用现代现代信息技术对用水量进行科学计量，并对用水数据传递及结算交易的新型水表。该水表与传统机械水表與智能水表不同，具有安全简单、实时性强及数据易于收集与分析等特点。同时与一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的水表功能相比，有很大的进步。而智能水表除了按照约定协议进行用水量控制外，还可对用水量进行记录和电子显示，而物联网水表在此基础上发展而来，且在现实当中应用广泛。用户只需要请专业人员将水表安装在管道上即可。

2 物联网技术下智能水表系统建构

2.1 系统总体框架设计

对于物联网智能水表系统建构，从整体框架上看主要由4部分构成，即无线传感器、无线传输模块、远程监控系统及企业数据库。在实际应用过程中，物联网智能水表对用水信息数据的获取，主要通过无线传感器完成。当无线传感器介绍到相关命令后，之后各组成模块之间相互配合，采集、传输及综合分析居民水表使用数据。该水表使用特点与传统水表最大的不同是，水表数据可以直接传送到连接云端，可以直接对居民用水情况了解，不需要去居民所在地“抄水表”。

从该水表系统整体框架看，对物联网水表数据信息的获取与传输，主要通过感知层、数据层、应用层及表示层实现，具体流程图，如图1所示。

2.2 硬件系统建构

2.2.1 用水流量采集

本次研究中关于物联网智能水表研究，使用的是以重庆巨泰物联网集团有限公司生产的单片机为主芯片。由于用户安装水表的主要功能是及时了解用水情况。而用户对所有用水数据从采集到处理分析都通过物联网技术实现。也就是说水表硬件模块采用超声波换能器获得水流量信号，之后采用硬件系统芯片测量管内声波情况，再将获得的时差信号转换为与之对应的流量信号，同时在每段流量范围内对硬件实施修补、软件修正，以此达到符合要求的测量精度。目前使用的物联网智能水表流量采样主要分为3种模式，具体如表1所示。

在现实应用中，对物联网智能水表安装，流量校准十分必要。一般情况下，水流量误差不能超过正常的20 %。而在测量水流量过程中，基于检定模式下测量若超过10 s，需要重新再次进行测量，在此过程中测试流量与累积流量之间互不影响，且从0开始计数。

2.2.2 用水温度采样

在实际情况中，居民对物联网智能水表的应用，不但可以及时了解到自身的用水情况，还可以了解到所用水的温度情况。一般而言，物联网智能水表采用的是Pt1000的温度传感器，通過恒流式测温电路，并将声速反推温度作为后补。对用水温度采样按照水流量采样模式相同，其中在用户模式下的采样频率为30 s，而剩余的两种模式采样频率为6 s。其中前者模式是降低水表整机的功耗，而后者是保证测量的精度。在实际情况下，若温度传感器发生故障，相关设备则会发出报警，同时表计温度采用声速反推方式确定，从而保证流量可以正常进行。

2.2.3 系统通讯与无线数据采集

基于物联网技术下，智能水表通信系统模式主要由无线网络及内置设备卡及无线通信模块共同组成。其中的水表无线网络所使用的是主流通信芯片，并且使用网状拓补结构，可实现对水表终端各个节点信息进行收集并通过相关传输设备上传到远程控制中心。此次研究中智能水表硬件处理器使用的是单片机，其具有明显的低电压、超低功耗能等特点，可以满足低频工作模式与各种中断驱动系统的需求。而关于物联网智能水表数据收集，主要在感知层将收集的数据信息进行模块转换，即将收集的数据信息传递给移动GSM卡无线传输模块，经过相关协议命令的执行转换，实现无线数据的收发。最后，将收集到的转换数据打包，以数据包形式通过网络传输平台到控制中心。

2.3 软件系统建构

对于物联网智能水表软件系统的建构，是基于硬件设备基础上进行设计。本系统软件设计采用编程C语言，在ARM嵌入式平台上开发，如图2所示，是系统软件主要流程图。当智能水表上电复位之后，可通过系统流程根据用户用水条件，做出相应命令后进行扣费处理及中断关闭阀门处理。当遇到居民用户余额为0时，系统会及时关闭阀门，中断用户给水。若系统没有出现中断，系统则会处于低功耗模式状态。目前，关于智能水表软件系统建构，除了主程序外，还包括故障处理程序、LED显示程序等，各个程序之间相互协调完成用户用水监测工作。

2.3.1 系统初始化

当水表软件系统上电复位后开始系统初始化，当软件系统初始化之后，可设置TIM2定时器，读取主控芯片中所连接的物联网平台提供的一些参数，比如端口、IP域名采集周期等，之后进行正常使用。

2.3.2 建立连接

当系统初始化之后，查询是否建立好相应的网络，若建立好可进行相应的网路系统连接，通过发送的相关连接指令，向物联网运平台注册相关的设备信息，建立有效连接，进行流量传感信号分析处理。

2.3.3 采集数据

该系统中数据收集主要通过传感器模式采集信息与信息进行接收、处理及传送。其中，系统将传感器节点采集的信息数据进行数据解码、操作及返回处理。当水表系统终端收集到使用水的各参数信息后，将所有的数据存入到相应的数据库之中。在此过程中，防止断网与数据发送丢失情况的存在，需要将定时器设置好，通过与物联网云平台建立联机，再发送当前水表流量，待发送成功之后进行低功耗睡眠阶段。

2.3.4 数据接收处理

对物联网智能水表系统中数据接收处理，主要是将接受到的物联网平台的信息指令，这些数据均支持海量数据并发，保证数据不存在丢失的可能。同时，该平台提供的数据稳定可靠，可直接存储。在此过程中对接受到的特殊数据，需要按照指定完成相关的操作。比如若系统显示余下额度为0时，系统将会等待中断，待做好相应的扣费处理工作后，完成水表设备的删除、禁用及注册等管理后，再发送当前水表流量，成功之后可进入低功能睡眠模式，最后可实现远程水表阀门开关的控制。

3 物联网技术下智能水表系统应用

物联网智能水表系统与的建构，之后将该系统应用于某新建小区中。该水表不仅安装方便，系统使用信号覆盖面积较广，可以成功采集到每户所居住人员的用水量，方便小区业务管理人员从后台终端实现用水量的统计，同时还可以根据水表电量提示，对电池进行及时更换，避免系统数据收集受到阻碍。例如，在低功耗测试中，所测试的3个小区整个系统的静态功耗为20 ?A以下，符合当前国家规定的25 ?A要求，整个系统平均功耗为60 ?A。若采用的电池容量为3000 mA·h，该水表可使用5a以上，满足了低功耗的需求。可见，物联网智能水表应用前景良好，值得推广使用[8]。

4 结束语

综上所述，近年来，随着物联网技术的应用，加上“一户一表”理念的提出，物联网智能水表得到广泛的应用。基于物联网技术下，该智能水表通过发挥自身的优势，将用户、水表及水务等相互连接构成一个统一的体系。由于该水表与传统的机械师水表不同，具有智能化、便捷式及实用性的特点，因而取得广泛应用。目前，城市化规模不断扩大，为了实现该水表对用户用水情况的实时监控，本文通过对智能水表系统建构与应用，得出该系统可以满足居民及时掌握用水情况的要求，同时实现水务部门对水表智能化管理与调度，在未来智能城市化建筑与发展中可应用。

参考文献

[1] 符长友，雷文，朱文忠，等.基于物联网的智能一体化表设计[J].实验室研究与探索，2017，36（6）：133-137.

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[3] 吴琦.NB-IoT技术在物联网智能水表领域的应用[J].南方农机，2020，51（2）：195-196，199.

[4] 田亚雷.WM-Bus技术在物联网智能水表领域的应用[J].中国新技术新产品，2020（7）：10-11.

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[6] 刘虎平.NB-IoT技术在物联网智能水表领域的应用[J].中国新技术新产品，2019（11）：10-11.

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[8] 吴正平，张兆蒙，李东，等.基于NB-IoT智能水表抄表系统设计与实现[J].传感器与微系统，2019（11）：93-95.