CN106157588A - 快速高精度光电直读式智能水表系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速高精度光电直读式智能水表系统，主要由多个终端水表、抄表集中器以及抄表管理系统组成，终端水表包括单片机和多个字轮单元，每个字轮单元包括机械字轮和多组光发射接收对管，每组光发射接收对管中的发射管和接收管之间采用唯一对应的正交码序列CDMA信号通讯连接，正交码序列CDMA信号的每个码还采用曼彻斯特编码以使其跳变，单片机分别驱动每组光发射接收对管的发射管向接收管发出信号。本发明的每个发射管的发射信号不是发射简单的有光、无光的脉冲信号，而是发射经过挑选的正交码序列，而每个码采用曼切斯特编码，保证每个码有跳变，消除环境因素的影响；而不同发射管采用不同的正交码序列，消除了邻近干扰。

Description

快速高精度光电直读式智能水表系统

技术领域

本发明涉及水表领域，具体涉及一种快速高精度光电直读式智能水表系统。

背景技术

水表是关系民生的重要计量器具，近年来城市建设快速发展，但水表行业发展却相对缓慢。随着微电子技术、信息技术的发展，智能水表技术发展进入快车道，各类新技术用用层出不穷，归纳起来智能水表技术的发展可分为三个方面：

一是计量性能的提高。传统机械水表设有运动计量部件和机械计数(示数)装置，使产品的测量准确度和重复性指标难以长期保持，仪表非线性特性校正困难。压力损失较大，测量可靠性和使用寿命不尽人意，为此必须采用新型水流量传感与信号处理技术等方法来改变这一现状。水表计量性能提升主要包括：提升测量准确度，从目前2级准确度逐步提升至1级准确度；拓展测量范围，改善小流量测量特性，降低水表始动流量和灵敏限，减少大流量测量条件下的压力损失值；可靠性与寿命的提高，提高智能水表产品的平均无故障时间(MTBF)指标；压力损失的降低，采用无阻流件，延长产品使用寿命。

二是使用功能拓展。在计量功能基础上，满足了用户在用水管理方面的需要，如：预付费用水及售水管理、数据远传及抄表管理、网络阀控及定量控制等。随着智能水表相关技术的成熟和应用，水表测量特性的自检、自校、自补偿，电源电压自检与告警，欠费、漏水等的关阀控制，无线通信及网络接入等功能也会逐步进入应用阶段。

三是参与管网测控系统构建。计量产品从单一终端产品向网络化系统集成产品和整体解决方案发展，硬件产品向软硬件结合的智能化产品发展。特别是物联网技术的兴起，供水管网的感知(检测)技术、网络通信技术、数据安全传输技术、数据挖掘与应用技术、终端控制技术等正在得到应有的重视和应用。智能水表作为物联网技术感知层的智能终端，在供水管网测控系统中的地位是极为重要的。可以预期，随着水表使用功能的不断拓展，其在测控系统中的作用更是显而易见。

我国目前水表生产企业大约有600多家，虽然下游用户自来水厂、房地产公司等十分分散，但是竞争仍然比较激烈。

摄像直读式远传水表产品最早是由北京北保电器公司2008年研发的，由于图像传输和数字译码方面不太成熟，导致产品没有普及推广。第二代产品由广东华旭等公司20011年研制，较好解决了图像处理、图像传输和译码传输等技术难题，使该项技术取得了突破性进展，目前，该产品已投入小批量生产，并在北京等地挂表试用，大面积推广还有待于应用时间和应用数量的考验。

虽然市场上已经出现直读式水表及其抄表系统，但抄表速度慢、容易误读、受环境光线影响等问题依然存在。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的发明目的在于提供一种快速高精度光电直读式智能水表系统，克服了现有的远传直读水表的普遍存在的结构复杂、容易受到外界光线干扰、相邻透射管之间相互干扰、总线式抄表系统容易出现故障、抄表速度慢等问题。

为实现上述发明目的，本发明提供以下的技术方案：一种快速高精度光电直读式智能水表系统，主要由多个终端水表、抄表集中器以及抄表管理系统组成，所述终端水表包括单片机和多个字轮单元，每个字轮单元包括机械字轮和多组光发射接收对管，每组光发射接收对管中的发射管和接收管之间采用唯一对应的正交码序列CDMA信号通讯连接，所述正交码序列CDMA信号的每个码还采用曼彻斯特编码以使其跳变，所述单片机分别驱动每组光发射接收对管的发射管向接收管发出信号。

上述技术方案中，所述机械字轮采用透射式码盘，所述透射式码盘包括盘体和沿圆周方向依次设置并贯通所述盘体的两侧盘面的多个透光孔，每组光发射接收管的发射管和接收管分别位于位于所述盘体的两侧并投影在所述圆周位置处。

上述技术方案中，每个字轮单元包括5组光发射接收对管，5组光发射接收对管的5个发射管沿半圆周方向依次设置，位于半圆周方向两端点位置的两个发射管的相邻两侧面之间形成180度夹角，位于半圆周方向两端点位置的两个发射管分别和与其相邻的两个发射管的相邻两侧面之间形成36度夹角，其余的三个发射管的相邻两侧面之间形成36度夹角，5组光发射接收对管的5个接收管沿半圆周方向依次设置，位于半圆周方向两端点位置的两个接收管的相邻两侧面之间形成180度夹角，位于半圆周方向两端点位置的两个接收管分别和与其相邻的两个接收管的相邻两侧面之间形成36度夹角，其余的三个接收管的相邻两侧面之间形成36度夹角。

上述技术方案中，所述抄表集中器和多个终端水表之间通过M＿BUS总线通讯供电，所述M＿BUS总线还接入有DC/DC直流斩波器。

上述技术方案中，所述抄表集中器和所述终端水表之间采用抄表集中器轮询和终端水表自主通讯相结合的方式，抄表集中器设定各终端水表的通讯顺序，当后一终端水表检测到前一终端水表通讯完成后，后一终端水表立即发送采集信息，当抄表集中器发现个别终端水表的通讯数据错误时，采用单独召唤通讯方式。

上述技术方案中，所述抄表集中器与所述抄表管理系统之间通过GPRS或接入internet的以太网通讯连接。

上述技术方案中，每个终端水表对应设有一唯一的二维码，所述快速高精度光电直读式智能水表系统还包括手持式抄表器，所述手持式抄表器与所述终端水表通过二维码相互识别并与所述抄表集中器通讯连接。

上述技术方案中，所述手持式抄表器为智能手机或专用终端设备，所述智能手机或所述专用终端设备安装有设定的APP。

上述技术方案中，所述单片机为带有可进行预付费，分段计量、分段计价功能的固化程序的微处理器。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1)每个发射管的发射信号不是发射简单的有光、无光的脉冲信号，而是发射经过挑选的正交码序列，而每个码采用曼切斯特编码，保证每个码有跳变，消除环境因素的影响；而不同发射管采用不同的正交码序列，消除了邻近干扰；解决了目前难以在低成本方式下解决的不同发射接收对管之间的邻近干扰和外界环境透射光线对读数的干扰问题；

2)通过提高总线驱动，提高通讯的通讯速率，在此基础上开发具有轮询和自主发送相结合的专用通讯协议，大大减小了抄表时轮询的等待时间，从而极大提高了抄表速度，提高了抄表效率、延长了集中器电池寿命，本发明中，抄表速到降低到40ms左右；抄表集中器静态功耗<5W；水表终端静态功<4mA；

3)抄表集中器故障时，采用图像识别技术和二维码技术，实现水表断电时的抄表，利用二维码能够水表进行唯一识别，二维码容易定位的特点，解决了水表数字的定位难难题，利用智能手机的照相机实现低成本的基于图像的抄表；

4)通过设置预付费模块、分段计量模块以及分段计价模块，使水表系统具有预付费，分段计量、分段计价功能；设置阶梯水量不少于三级，满足国家推行阶梯水价要求。

附图说明

图1为本发明公开的快速高精度光电直读式智能水表系统连接方框图；

图2为本发明公开的终端水表的多个字轮的主视图；

图3为本发明公开的字轮单元主视内部结构示意图；

图4为本发明公开的光发射接收对管的发射管或接收管投影在机械字轮上的侧视示意图。

其中，100、终端水表；110、字轮单元；111、机械字轮；111-1、盘体；111-2、透光孔；112、发射管；113、接收管；114、阴影面；200、抄表集中器；300、抄表管理系统；400、手持式抄表器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图4，如其中的图例所示，一种快速高精度光电直读式智能水表系统，主要由多个终端水表100、抄表集中器200以及抄表管理系统300组成，终端水表100包括单片机(图中未视出)和多个字轮单元110，每个字轮单元110包括机械字轮111和多组光发射接收对管，每组光发射接收对管中的发射管112和接收管113之间采用唯一对应的正交码序列CDMA信号通讯连接，正交码序列CDMA信号的每个码还采用曼彻斯特编码以使其跳变，上述单片机分别驱动每组光发射接收对管的发射管112向接收管113发出信号。

机械字轮111采用透射式码盘，透射式码盘包括盘体111-1和沿圆周方向依次设置并贯通盘体111-1的两侧盘面的多个透光孔111-2，每组光发射接收管的发射管112和接收管113分别位于位于盘体111-1的两侧并投影阴影面114在圆周位置处。

其中一种实施方式，每个字轮单元110包括5组光发射接收对管，5组光发射接收对管的5个发射管112沿半圆周方向依次设置，位于半圆周方向两端点位置的两个发射管的相邻两侧面之间形成180度夹角，位于半圆周方向两端点位置的两个发射管分别和与其相邻的两个发射管的相邻两侧面之间形成36度夹角，其余的三个发射管的相邻两侧面之间形成36度夹角，5组光发射接收对管的5个接收管113沿半圆周方向依次设置，位于半圆周方向两端点位置的两个接收管的相邻两侧面之间形成180度夹角，位于半圆周方向两端点位置的两个接收管分别和与其相邻的两个接收管的相邻两侧面之间形成36度夹角，其余的三个接收管的相邻两侧面之间形成36度夹角。利用目前产品中的开槽方法以及电机控制中的光编码器技术，研究适合于水表的开槽方法，使加工成本达到最小、光电管数量最少，同时减少在读数窗口出现两个半字的读数的二义性。

其中一种实施方式，抄表集中器200和多个终端水表100之间通过M＿BUS总线通讯供电，上述M＿BUS总线还接入有DC/DC直流斩波器。抄表集中器200和终端水表100之间采用抄表集中器200轮询和终端水表100自主通讯相结合的方式，抄表集中器200设定各终端水表100的通讯顺序，当后一终端水表检测到前一终端水表通讯完成后，后一终端水表立即发送采集信息，当抄表集中器200发现个别终端水表的通讯数据错误时，采用单独召唤通讯方式。上述方式具有以下的优点1)提高总线驱动能力和信号电平，提高通讯波特率；2)采用轮询和表具自主通讯相结合的方式。即上电后，集中器广播各表具的通讯顺序，当表具检测到前一表具通讯完成后，后一块表具立即发送采集信息，这样可大大减小等待时间。当集中器发现个别表具的通讯数据错误时，采用单独召唤通讯方式。

其中一种实施方式，抄表集中器200与抄表管理系统300之间通过GPRS或接入internet的以太网通讯连接。

其中一种实施方式，每个终端水表100对应设有一唯一的二维码，快速高精度光电直读式智能水表系统还包括手持式抄表器400，手持式抄表器400与终端水表100通过二维码相互识别并与抄表集中器200通讯连接。利用QR码的定位信息和比较成熟的QR的解码技术，研究确定数字信息的位置，解决水表唯一性标识和数字定位问题。

其中一种实施方式，手持式抄表器400为智能手机或专用终端设备，智能手机或专用终端设备安装有设定的APP。

其中一种实施方式，上述单片机为带有可进行预付费，分段计量、分段计价功能的固化程序的微处理器。

为判断码盘的绝对位置，需要多组光发射接收对管，如果多组对管之间的光线进行隔离，对加工要求很高，从而增加设备成本。本发明采用码分多址(CDMA)方式使各对管之间不需要任何隔离。码分多址(CDMA)方式利用码序列的正交性来区分不同的用户，在同频、同时的条件下，各个接收管根据不同的信号码型之间的差异分离出需要的信号。CDMA方式为每个用户分配了特定的地址码，利用一条公共信道来传输信息。CDMA的地址码相互间具有正交性，在频率、时间和空间上都有可能重叠。

码盘的读数窗口的光线对接收信号产生干扰，考虑到环境光线的缓慢变化，在读数周期内可以认为不变量，对即将要发送的地址码进行曼彻斯特编码，曼彻斯特编码将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。

总线故障时，作为自动抄表的补充方式，项目开发基于安卓系统通用移动终端的抄表软件，利用智能手机的照相机拍摄的照片，通过图像处理技术直接识别出表具信息和用水量，不需要增加设备。图像处理软件能够在同一照片中识别出二维码信息和码盘信息，从而能够自动定位用户和用水信息，该信息可存储在移动终端或通过3G网络传送到抄表系统。随着智能手机的推广使用，用户如果安装了本项目开发的软件，此工作可由用户完成，从而为抄表系统提供了另一项选择，形成新的抄表模式。当作为上位机的抄表集中器不进执行命令时，终端水表进入低功耗状态，仅需要3mA左右的电流正常工作；当上位机针对某一终端表发出抄读命令或其它命令时，被抄读的终端水表在执行命令的瞬间，提供可用于执行命令的几十毫安的电流，用来完成施行命令，当命令执行完毕后，总线恢复低功耗状态。采用主动发送技术，可降低抄表总体抄表时间，可将常规的700ms的抄表时间降低到40ms，驱动表具数量达到400个。

正常运行时，抄表集中器200通过485或M_BUS控制终端水表100的运行，抄表时抄表集中器200给终端水表100供电，终端水表100读取码盘数值，接受抄表集中器200命令，将水量传送到抄表集中器200。抄表集中器200将采集的水表信息通过GPRS或以太网接入Internet传送到抄表管理系统300的软件。手持式抄表器400主要在抄表集中器200故障或接入网络故障时使用，考虑到无源直读式在抄表集中器故障时无法获得电能，采用摄像式直读方式，使用图像处理技术获取码盘信息和二维码信息，手持式抄表器400采用通用安卓移动终端，减少开发成本，使开发集中在图像处理技术上。生产流程管理软件记录出厂水表的地址、配置参数、二维码信息，形成产品数据库，为抄表管理软件提供唯一识别信息。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种快速高精度光电直读式智能水表系统，主要由多个终端水表、抄表集中器以及抄表管理系统组成，所述终端水表包括单片机和多个字轮单元，每个字轮单元包括机械字轮和多组光发射接收对管，其特征在于，每组光发射接收对管中的发射管和接收管之间采用唯一对应的正交码序列CDMA信号通讯连接，所述正交码序列CDMA信号的每个码还采用曼彻斯特编码以使其跳变，所述单片机分别驱动每组光发射接收对管的发射管向接收管发出信号。

2.根据权利要求1所述的快速高精度光电直读式智能水表系统，其特征在于，所述机械字轮采用透射式码盘，所述透射式码盘包括盘体和沿圆周方向依次设置并贯通所述盘体的两侧盘面的多个透光孔，每组光发射接收管的发射管和接收管分别位于位于所述盘体的两侧并投影在所述圆周位置处。

3.根据权利要求1所述的快速高精度光电直读式智能水表系统，其特征在于，每个字轮单元包括5组光发射接收对管，5组光发射接收对管的5个发射管沿半圆周方向依次设置，位于半圆周方向两端点位置的两个发射管的相邻两侧面之间形成180度夹角，位于半圆周方向两端点位置的两个发射管分别和与其相邻的两个发射管的相邻两侧面之间形成36度夹角，其余的三个发射管的相邻两侧面之间形成36度夹角，5组光发射接收对管的5个接收管沿半圆周方向依次设置，位于半圆周方向两端点位置的两个接收管的相邻两侧面之间形成180度夹角，位于半圆周方向两端点位置的两个接收管分别和与其相邻的两个接收管的相邻两侧面之间形成36度夹角，其余的三个接收管的相邻两侧面之间形成36度夹角。

4.根据权利要求1所述的快速高精度光电直读式智能水表系统，其特征在于，所述抄表集中器和多个终端水表之间通过M＿BUS总线通讯供电，所述M＿BUS总线还接入有DC/DC直流斩波器。

5.根据权利要求1所述的快速高精度光电直读式智能水表系统，其特征在于，所述抄表集中器和所述终端水表之间采用抄表集中器轮询和终端水表自主通讯相结合的方式，抄表集中器设定各终端水表的通讯顺序，当后一终端水表检测到前一终端水表通讯完成后，后一终端水表立即发送采集信息，当抄表集中器发现个别终端水表的通讯数据错误时，采用单独召唤通讯方式。

6.根据权利要求1所述的快速高精度光电直读式智能水表系统，其特征在于，所述抄表集中器与所述抄表管理系统之间通过GPRS或接入internet的以太网通讯连接。

7.根据权利要求1所述的快速高精度光电直读式智能水表系统，其特征在于，每个终端水表对应设有一唯一的二维码，所述快速高精度光电直读式智能水表系统还包括手持式抄表器，所述手持式抄表器与所述终端水表通过二维码相互识别并与所述抄表集中器通讯连接。

8.根据权利要求7所述的快速高精度光电直读式智能水表系统，其特征在于，所述手持式抄表器为智能手机或专用终端设备，所述智能手机或所述专用终端设备安装有设定的APP。

9.根据权利要求1所述的快速高精度光电直读式智能水表系统，其特征在于，所述单片机为带有可进行预付费，分段计量、分段计价功能的固化程序的微处理器。