摘 要：文章介紹了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和智能超聲波水表的計(jì)量原理，并對(duì)ZigBee技術(shù)在智能超聲波水表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。該抄表方案借助ZigBee技術(shù)在無線通信方面的優(yōu)勢，具有組網(wǎng)迅速、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸可靠、數(shù)據(jù)安全、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合智能超聲波水表無線組網(wǎng)。該抄表方案也可應(yīng)用于電表和氣表。

關(guān)鍵詞：ZigBee 超聲波水表 遠(yuǎn)程抄表 無線網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0004-03

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能超聲波水表已經(jīng)引起企業(yè)的關(guān)注，同時(shí)超聲波水表的遠(yuǎn)程抄表的收費(fèi)機(jī)制，也需要進(jìn)行改善，并適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需要。國家住建部《關(guān)于加快推進(jìn)城鎮(zhèn)居民生活用水階梯水價(jià)改革的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》明確規(guī)定：對(duì)城鎮(zhèn)居民用戶終端水價(jià)中的自來水價(jià)格實(shí)施階梯水價(jià)，所有設(shè)市城市原則上要在2015年底前完成“一戶一表”改造，并全面實(shí)施階梯水價(jià)制度。各地在推進(jìn)“一戶一表”改造時(shí)，應(yīng)積極推進(jìn)智能水表。

新政策一旦正式推行，勢必加速階梯水價(jià)全面推行，而智能水表在計(jì)費(fèi)方面相比機(jī)械水表的強(qiáng)大優(yōu)勢，決定智能水表在智慧水務(wù)和實(shí)施階梯水價(jià)趨勢中取代機(jī)械水表的必然性。智能水表可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄讀和遠(yuǎn)程抄讀，水表監(jiān)控中心可隨時(shí)讀取智能水表數(shù)據(jù)，方便按月計(jì)費(fèi)和提前扣費(fèi)等，并實(shí)現(xiàn)階梯計(jì)價(jià)調(diào)費(fèi)，具有水質(zhì)、水壓、水溫等監(jiān)測功能。最新的ZigBee技術(shù)與最先進(jìn)的超聲波水表的結(jié)合，是抄表計(jì)費(fèi)的發(fā)展趨勢。

1 智能超聲波水表的優(yōu)勢

FLUS小口徑系列智能超聲波水表是應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)進(jìn)行水流量測量，并用于家用自來水消耗計(jì)量的一體式密閉水表，口徑范圍涵蓋DN10、DN15、DN20、DN25、DN32和DN40。此系列水表采用超聲波傳輸時(shí)間差法測量水流量，可保證計(jì)量的長期可靠性和精度。兩個(gè)超聲波換能器用于產(chǎn)生超聲波信號(hào)，兩束超聲波信號(hào)分別沿著水流順流和逆流方向傳播，通過測量兩束超聲波信號(hào)傳播時(shí)間差可得到水的流速，進(jìn)而計(jì)算出水流量。

1.1 計(jì)量原理

超聲波水表采用時(shí)間差法進(jìn)行流量測量?；居?jì)量原理如圖1所示。

流體的流速計(jì)算公式如下：

式中：Vm流體在軸向線的平均流速；

tu：超聲波在流體中逆流（由B到A）傳播的時(shí)間；

td：超聲波在流體中順流（由A到B）傳播的時(shí)間；

L：聲道長度；

：聲道角。

流體的流量按下述公式計(jì)算：

式中：Q：流體的流量；

K：速度分布系數(shù)；

S：管段內(nèi)橫截面面積。

對(duì)于大口徑超聲波水表，可采用多聲道方式通過加權(quán)計(jì)算的方法來提高流量測量準(zhǔn)確度。

1.2 超聲波水表的特點(diǎn)

FLUS系列超聲波水表嚴(yán)格遵循OIML R49指令進(jìn)行設(shè)計(jì)并測試，保證了其具有高度的可靠性、耐久性及精度。根據(jù)超聲波測量原理，水表無任何運(yùn)動(dòng)部件，保證在各種復(fù)雜條件下長效精確計(jì)量，極大延長了其使用壽命。此外，低始動(dòng)流量（Q3=1.0 m3/h時(shí)僅為2 L/h）特性也保證了其在小水流條件下的計(jì)量精度，可進(jìn)行滴水計(jì)量。

不受管路中雜質(zhì)及空氣影響，可滿足惡劣水質(zhì)要求。無直管段要求，可任意方位安裝，IP68防護(hù)等級(jí)適于室外安裝?？山M件抄表系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，OMS規(guī)范通信協(xié)議，通信接口為紅外光電和MBus，可選配wMbus和NFC，通過通信接口可實(shí)時(shí)讀取水表數(shù)據(jù)，或修改水表運(yùn)行參數(shù)。電池有效壽命高于16年。液晶顯示累積體積、瞬時(shí)流量、各種工作狀態(tài)及故障狀態(tài)。水表內(nèi)置的存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)360d的用戶數(shù)據(jù)，也可以存儲(chǔ)過去24個(gè)月的月份計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)。

2 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低傳輸率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一個(gè)由多達(dá)65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里；整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)不僅可以“無限”擴(kuò)展開來，而且還可以與現(xiàn)有其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接，例如，可以通過互聯(lián)網(wǎng)在水表監(jiān)控中心，監(jiān)控某樓棟的ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。

每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)象，例如超聲波水表連接，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料；除此之外，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD）還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，同多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)（RFD）無線連接。ZigBee以一個(gè)獨(dú)立工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成星狀、串（樹）狀、或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非相同，其中RFD為半功能節(jié)點(diǎn)即傳感器節(jié)點(diǎn)；FFD為全功能節(jié)點(diǎn)即網(wǎng)路協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的RFD節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用；各節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成一個(gè)無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢：

（1）低功耗：兩節(jié)五號(hào)電池支持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。

（2）可靠性：采用了碰撞避免機(jī)制；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）低成本：ZigBee模塊價(jià)格低廉，并且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。

（4）時(shí)延短：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。

（5）近距離：通信距離在幾厘米到幾百米，在增加發(fā)射功率后，可增加到1～3km。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信接力，可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。endprint

（6）網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee可以采用星狀、樹狀和串狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。

（7）安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128。

（8）高密性：采用64位出廠編號(hào)并支持AES-128加密。

（9）全球免費(fèi)頻段：ZigBee技術(shù)以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，使用全球免費(fèi)頻段進(jìn)行通訊，2.4G（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。

3 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)解決方案

通過以上對(duì)智能超聲波水表介紹和ZigBee技術(shù)的應(yīng)用分析，可采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能水表的無線遠(yuǎn)程抄表。

在實(shí)際應(yīng)用中可以選擇將ZigBee技術(shù)與GPRS/CDMA結(jié)合的方式，也可以選擇ZigBee技術(shù)與光纖通信結(jié)合的傳輸方式，把各個(gè)智能水表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿砑芾肀O(jiān)控中心。

該方案中采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)單元樓棟可設(shè)置一個(gè)ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，整個(gè)樓棟的智能超聲波水表通過MBus總線連接到ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)或作路由器用，負(fù)責(zé)把智能水表的數(shù)據(jù)上傳給ZigBee中心節(jié)點(diǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出來的指令，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)必須是全功能設(shè)備（FFD）。另外，一個(gè)小區(qū)中設(shè)置一個(gè)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)，其與智能超聲波水表的連接如圖2所示。

ZigBee中心節(jié)點(diǎn)的功能是根據(jù)集抄管理控制中心服務(wù)器的命令，通過ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，讀取智能超聲波水表的累積數(shù)據(jù)及其他參數(shù)，并通過GPRS/CDMA或光纖將數(shù)據(jù)上傳給水表集抄管理控制中心，集抄管理控制中心的計(jì)費(fèi)服務(wù)器主要是對(duì)抄上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，并實(shí)現(xiàn)階梯計(jì)價(jià)調(diào)費(fèi)、計(jì)費(fèi)，并對(duì)各水表監(jiān)測到的水質(zhì)、水壓、水溫等進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警、處理。系統(tǒng)連接示意圖如圖3、圖4所示。

系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)、MBus總線方式的有線網(wǎng)絡(luò)、GPRS/CDMA或光纖通信的主干網(wǎng)絡(luò)組成。為保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和可靠性，所有ZigBee通信節(jié)點(diǎn)要保證能與附近相鄰的多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，當(dāng)任意一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，可跳過這一節(jié)點(diǎn)與下一個(gè)節(jié)點(diǎn)直接通信。整個(gè)系統(tǒng)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該盡量布成一個(gè)網(wǎng)狀，以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與系統(tǒng)正常通信。從而保證整個(gè)集抄系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

該文對(duì)ZigBee技術(shù)在智能超聲波水表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，ZigBee技術(shù)具有協(xié)議簡單、成本低、無需布線、組網(wǎng)迅速、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸可靠、數(shù)據(jù)安全、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合智能超聲波水表無線組網(wǎng)。另外也可以考慮把ZigBee模塊直接加入每個(gè)超聲波水表中，組成一個(gè)無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣成本需要加大。該抄表系統(tǒng)也可在電表和氣表的遠(yuǎn)程抄表中進(jìn)行應(yīng)用。

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