智能水表的原理及缺点

    目前国内制造的智能水表，可分为预付费水表、远传水表两大类，其共同特点是测量水流的传感器仍采用普通水表，通过在水表的读数盘指针或齿轮组的某个位置安装传感元件，将原水表的机械读数转换成电信号数据，然后进行采集、传输和储存，按结算交易方式的要求自动或人工进行控制。因为它们的基表都是采用的速度式水表，所以按照水表的原理分类他们还都属于速度式水表一类，只是在读数方式、指示机构等方面进行了改进，增加了预付费、远传读数等自动化抄表系统功能，而计量机构、传动方式还是机械式的，水表的准确度（精度）等级和普通机械水表一样，都是2.0级。
 
    智能水表把高科技的电子、信息传输技术应用到水表制造上，在相当程度上改变了国内传统的抄表结算方式，提高了我国自来水收费计量的水平，是自来水计量收费的一次技术进步；它的推广应用实现了“先买水，后用水”和集中抄表管理，更新了用水户的交费理念，减少了拖欠水费、入户抄表等现象，减少了供水部门抄表的人力、物力；可提前回收水费，减少了后期运营人员，提高了管理效率和水司的经营管理水平；且防盗性能较普通水表好，完全能实现“预付费”、“阶梯水价”和“囤积水量”功能。 

    预付费水表
 
    一、概念、原理
 
    预付费水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能储值卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表，也就是在传统的机械水表上加装电控模块和电控阀门而制造的一种新型智能化计量仪表。
 
    预付费水表按照储值卡技术分为IC卡水表、TM卡水表、代码水表三种
形式，俗称卡式水表。 
 
    二、工作过程
 
    将含有金额或购置信息的储值卡插入水表中的读写器，经微处理器识别和下载金额后，电控阀门开启，用户可以正常用水；当用户用水时，水量采集装置开始对用水量进行采集，并转换成所需的电子信号供给微处理器进行计量，并在LCD显示屏上显示出来；当用户的用水金额下降到一定的数值时，水表的报警装置会自动进行相应报警或警告性关阀，提示用户持卡交费购水；如超过用水金额，则水表会自动将电控阀门关闭，切断供水，用户交费后插入已交费的IC卡，自动开启阀门进行供水。 

    三、收费软件
 
    对于预付费水表的收费软件国家没有制定指导性的标准，都是制造商根据自己的产品性能、特点研制开发的，每一个制造商都有自己的一套成熟、定型的软件。软件技术发展到今天，预付费水表的收费软件是一个非常简单的程序，数据库并不复杂，制造商可在自己生产的软件上，根据不同水司的需求，增加一些功能，如报表、验收、稽核、票据打印、阶梯水价、囤积水量等，对计算机软、硬件系统的要求很低，只需要奔腾166 以上CPU、64MB 以上内存，标准VGA 16位真彩色显卡、Ｗindows98/me 或 WindowsNT4.0/2000/XP等操作系统的软件环境，普通低配置的家用电脑就可以满足要求，而且即使在低配置的计算机上运行时一样稳定。虽然制造商在收费软件的开发上“各自为战”，由于国内水司共同的收费特点和水平，通过我们对所掌握的制造商的产品技术资料分析，所有开发商对预付费水表的收费程序上的主要功能是一样的，主要都有以下一些内容： 

    1、日常业务：开户、发卡、售水充值、挂失补卡和换装水表功能； 

    2、操作员权限设置功能：在需要接触管理软件的人员当中，通过设置不同的使用权限，限制某些可能对系统的正常使用造成伤害的操作，或对管理信息、用户记录等重要数据的非法修改、删除。 

    3、水量分析功能：能够按照日期，对用户购水情况进行水量分析； 

    4、数据浏览查询功能：可进行用户查询、充值查询、补卡查询、换表查询、读卡查询； 

    5、票据设置打印功能：不同的软件使用者，使用的售水发票（收据）在格式、内容等方面会有不同的要求，管理软件可以根据实际情况，由软件操作者对发票的打印情况自行修改。 

    6、数据汇总及分析功能、可疑用户监测功能：操作员可以自由设定汇总的查询方式，汇总的时间范围，并且可按需要产生报表的明细。如，累计磁扰次数不为零的用户列表；用户最近一次购水情况分析(降序排列最近充值距今天数的用户列表。长时间不充值的用户可能是问题用户)；最近购水水表状态异常情况分析(列表显示出用户水表电池电量低和阀门出现故障的用户) ；自动把购水情况不符合常理的可疑用户加以筛选、汇总，编制出“可疑用户清单”供管理者参考。 

    7、统计报表：对充值数据进行统计，对返回的水表内数据进行分析。 

    8、备份及恢复：为了系统的安全，要求操作员定期执行备份操作。如果发生意外，执行恢复可以将备份的数据恢复。 

    9、阶梯水价功能：设置不同阶梯的用水价格，能够自动进行阶梯水量收费计算； 

    10、囤积水量功能； 

    这里需要对“阶梯水价”的功能实现作一点说明。阶梯水价，是近几年随着“一户一表”工作的开展，提出的新的收费方式，国内智能水表制造商也都宣传自己的产品能实现阶梯水价，的确，用智能预付费水表是完全能够实现阶梯水价功能，但是必须是收费软件和收费水表同时具备阶梯水价功能才能对用水户进行阶梯水价计算，缺少一个条件都不能实现阶梯水价功能。
因为能实现阶梯水价功能的软件程序很简单，智能水表制造商都能解决，目前已安装使用的没有阶梯水价功能的智能水表，要实现阶梯水价功能，需要对收费软件和收费水表进行更换。
阶梯水价水表在LCD显示屏显示的是“使用的金额和剩余金额”，非阶梯水价水表显示的是“使用的水量（m3）”，如果阶梯水价水表不需要使用阶梯功能，把所有的阶梯设置为一个参数即可。 

    国内已开发出具有阶梯水价功能水表和收费系统，我们已见到实物的有深圳市东晓达科技有限公司、杭州华立仪表集团股份有限公司和北京金水利科技有限公司三家制造商，因技术并不复杂，其它制造商均有能力开发研制。 

    智能预付费水表只有两种口径：DN15和DN20 

    四、IC卡水表 

    由上面的预付费水表原理图，如果储值卡是IC卡，这块水表就是IC卡水表。它由基表、电源（电池）、IC卡读写器、LCD通讯接口、显示、微机控制模块、阀门控制机构、峰鸣报警装置组成。 

    基表可采用旋翼式水表（湿式或干式）、或容积式水表，目前国内制造商大都采用旋翼式水表作为IC卡水表的基表。传感器安装于读数盘上或计数齿轮组中。 

    IC卡读写器分插卡式和感应式。插卡式同磁卡一样，一插即可、简单方便，但卡的接触面易磨损，卡座对外易受潮湿环境和人为攻击干扰，但随着IC卡技术的发展，技术已经成熟，受潮和受攻击问题得到改善，国内IC卡水表制造商大都采用此方式的IC卡读写器。感应式IC卡又称射频卡，俗称非接触式IC卡，制造商采用此方式的不多。 

    电源采用的有内置锂电池和普通碱性干电池组等。锂电池能量高，自漏电小，寿命长，目前的IC卡水表多采用锂电池供电。电池电量（寿命）是智能预付费水表在使用中的一个至关重要的性能指标，在选用时应引起高度重视。 

    目前国内IC卡水表的电控阀门主要有球阀、陶瓷阀和膜片阀。球阀因要求的驱动力矩大，使用中因结垢或磨损，很容易出现漏水、开关失灵等问题，国内 IC卡水表采用此类阀门的较多，在使用中出现的问题最多。陶瓷阀的使用寿命长、开关可靠性高、压损小，使用中不易结垢，因是专利产品，国内IC卡水表采用此阀门的制造商屈指可数。膜片阀因成本高制造商使用的不多。IC卡水表阀门也是在使用中的一个至关重要的性能指标。 

    IC卡水表另一个重要的性能指标就是卡片和电控模块主芯片的采用。IC卡卡片有两种，即逻辑加密卡和CPU卡。逻辑加密卡设计简单、成本低，但安全性低，易被解密复制，主要用在单机版的IC卡收费系统；CPU卡容量大，作为IC卡水表信息传递的介质具有很高的安全性，因采用了3DES算法来保证系统的安全，不易被解密复制，网络版的IC卡收费系统都采用此卡。电控模块主芯片（即原理图中微处理器部分）的质量性能决定了IC卡水表的水量采集、处理、显示、数据保存的可靠、稳定。 

    五、TM卡水表 

    TM卡水表是国内较早开发出的一种预付费水表，制造商不多，我公司目前使用的智能水表就是这一种。 

    TM卡是美国达拉斯公司自主开发具有独立知识产权的独家生产的一种数据交换卡，它有特定的造形和读写器具，接口和读写设备与国际标准IC卡也就是我们常说的IC卡不兼容、不通用。国内除在卡表行业外，仅在门禁系统等少数几个行业有一些应用。 

    TM卡水表就是采用美国达拉斯公司生产的iButton信息纽扣作为数据交换载体，作为一种新颖的智能化信息载体，iButton信息纽扣采用接触式存取方式的存储器（Touch Memory，简称TM卡），TM卡相当于一种对准接触式IC卡，数据容量大、安全性好并可分区存放（适合水、电、气用量存在同一卡中），TM卡不锈钢纽扣式外壳，机械强度高，防损性能好，且读写次数多。 

   TM卡水表的原理和工作过程以及主要部件同IC卡水表。 

    六、代码预付费水表 

    代码预付费水表，简称代码表，是代码交换预付费数据技术在水表产品上的应用。就是用一组变形的数据码来代表需要传输的数据。比如用户预购100m3水，在完成付费操作后，管理系统所提供给用户的是一组8位数（如12345678），用户在代码表上的键盘上按此码键入这8个数字后，就完成了向水表输入100m3 水的操作，电控阀门开启，水表供水。代码表与IC卡水表、TM卡水表不同之处是在水表上有一个键盘，没有数据传输载体（即IC卡、TM卡），在环境适应和抗干扰方面优势明显，代码表的原理和工作过程以及主要部件与IC卡水表同，可以把它看作非接触式的IC卡水表。 

    七、关于制造商 

    国内智能预付费水表的制造厂家有二百多家，由于在基表的采购和电子部分的研发、制造水平，产品质量良莠不一，在一定程度上阻碍了智能预付费水表的普及；但随着智能预付费水表几年的发展、推广，技术的进步和成熟，建设部于2001年颁布了CJ/T 133—2001《IC卡冷水水表》行业标准，这是预付费水表的第一个行业标准，对该类水表的规范发展起到了积极的作用。
国内智能预付费水表的制造商除五家龙头企业外，大都不生产基表，都是从基表专业生产厂进行采购，基表生产厂的产品质量决定了其基表的质量，实力强、质量好的制造商都从五家水表龙头企业采购。智能预付费水表制造商主要致力于收费软件和水表电子部分的研究开发，特别是制造商对电子部分研发和采用的技术决定了他们之间技术、产品质量和服务的差异。 

    八、智能预付费水表的优缺点

    优点：技术成熟，具有预付费特点，实现了“先买水，后用水”，不需要抄表，不会造成欠费现象，减少了供水企业抄表的人力、物力和后期的营运人员；防盗性能较普通水表好；能实现“阶梯水价”和“囤积水量”功能。
缺点：由于储值卡是预付费，无需抄表，对自来水公司每个月的用水量、管网漏损等数据无法统计和考核；成本较高，周期检定、维修、更换费用高。 

    九、智能预付费水表选型的技术关键 

    由于预付费水表的基表都是选购的国内专业水表制造厂的产品，以及收费软件的成熟开发，以下部件的技术直接决定了预付费水表的使用寿命和质量。 

    1、电控模块的主芯片：是收费基表数据采集、处理、显示及保存的核心部件，也是预付费水表的技术核心，显示了该类水表的技术、质量水平。国内智能预付费水表制造商大都根据自己的产品特点和自己的研发实力自行研制主芯片，主芯片的质量和技术参差不齐；也有采用了美国Ti公司的超大规模集成电路为主芯片，技术成熟，功能强大、稳定性能好，此技术在国内预付费水表制造行业处于领先地位，由于此技术的采用，率先在国内预付费行业推出了一卡带五表产品，满足了复式楼房多表安装和一个业主有多套住房的需要一卡操作的需求。 

    2、电控阀门：由于管网水质的原因，对水表阀门的破坏比较严重，直接影响了水表的收费计量，电控阀门的选用必须寿命长、开关可靠性高、压损小，使用中不易结垢，目前陶瓷阀为首选。 

    3、工作电池：国家规定的民用水表的使用周期为六年，要求供电电池必须是能量高、功耗低、使用寿命大于六年，并且水表中应设计低电压自检和保护功能，如电池处于欠压状态，水表会自动提示并保存数据，同时延时关闭阀门。 

    4、IC卡卡片：CPU卡容量大、稳定性好、安全性高。 

    远传水表 

    一、概念、原理 

    远传水表和智能集中抄表系统是利用微电子技术、自控技术、通信技术和网络技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型智能水表。
    按照计量基表与管理中心计算机系统的传输方式分为远传水表无线自动化抄表系统和远传水表有线联网自动抄表系统。
    远传水表的规格：DN15至DN200，可覆盖水表的所有口径。 

    二、远传水表有线联网自动抄表系统 

    整个系统由管理中心计算机系统、传输网络、总线网络、数据集中器、数据采集器、远传水表组成，组成如下图：

    利用这种抄表方式，是将水表电子计量后的水量信息通过馈线传送到一个数据集中器上，若干个数据集中器再相互连接，组成一个舆网之后再用两种方法采集抄表数据。其一是用手提电脑或专用抄表机到现场接驳入网采集数据。其二是用调制解调器通过电话线、无线电台或网络技术（GPRS、GSM、CDMA）联结到自来水公司管理中心计算机系统进行抄表。这种方式比无线电抄表系统多了联网的线路，但也相对减少了干扰，而且成本较低廉，邦联率也低，维修也相对容易，是较容易实施的一种方案，现各地已安装的大多采用这种系统。
　　
    远传水表有线联网自动抄表系统主要要通过以下四个环节完成：
　　
    1、信号转换环节
    这个环节主要是通过传感器将齿轮的传动量转换为开关信号或电信号输出，传感器安装于水表的读数盘上或计数齿轮组中，与智能预付费水表类似，也是采用普通水表作为基表。
　　
    2、数据采集、存储环节
    通过传感器形成的信号，经过计数、信号处理、累加等过程转换成水表计量数据并加以动态地存储，等待抄表，是由数据采集器来完成的。
　　
    3、数据集中环节
    抄表集中的通信方式采用掌上电脑（或专用抄表机）现场抄表和电话网、网络技术（GPRS、GSM、CDMA）、无线电台抄表，它们就是系统的数据集中器。
　　
    （1）掌上电脑（或专用抄表机）现场抄表。在现场将掌上电脑（或专用抄表机）的通信线连接到数据集器的专用通信插座（或通过红外线接口）上。在掌上电脑（或专用抄表机）上简单操作后即可完成抄表，一次可抄数百户乃至数千户。将掌上电脑（或专用抄表机）带回公司连接到公司电脑上即可上传抄表数据进行收费。此种方式目前使用的比较普遍。
　　
    （2）电话网、无线电台抄表。在数据集中器与公司电脑之间通过调制解调器及电话线相连接或无线电台，一次也可抄数百户乃至数千户。电话网需要安装智能分线器，由智能分线器识别出打入方电话送来的特定信号，接通我方电脑与数据集中器的连接，完成抄表；无线电台抄表，当主站电脑与集中器相距很远，并且无法采用电话拨号时，可采用这种方式。根据无线电台发射功率的不同，传输距离一般为数公里至数十公里。这种通信方式的传输易受杂散电波干扰，误码率较高，可靠性受到影响。 

    （3）网络技术，是在主站电脑与集中器之间通过网络技术，如GPRS、GSM、CDMA等技术，进行连接直接抄表，不受距离、时间的限制，安全可靠，传输速度快、信息准确、及时，可实现在线监视各用水户的水表工作情况，此方式在今后将势在必行。 

    4、中心计算机管理环节 

    软件主要实现以下工作内容：
    （1）用户管理
    （2）读取和设置各种计量数据、管理参数
    （3）费用的统计、查询、备份
    （4）收费单、报表的生成及打印
    （5）定时抄表功能，每天抄表次数及定时时间可设置
    （6）可设置“自动抄表日”(数据冻结)
    （7）实时抄表功能
    （8）自动校时功能
    （9）抄表数据的掉电保持功能
    （10）费率管理，可设置多种费率
    （11）计量表管理
    （12）系统及安全管理 

    三、无线远传水表 

    利用无线抄表，即每个水表将经过电子计量后的水量信息通过装在其水表上的无线电发送装置发送到经过附近的无线电接收车辆完成抄表，被抄表水表与抄收装置之间无需联线。但无线通信抗干扰能力薄弱，使系统的可靠性受到威胁，另外每只水表都要安装无线电收发设备，因此，造成安装成本增加，对维修技术要求高。 

    四、优缺点 

    优点：实现了集中抄表管理，大大减轻了抄表人员的劳动强度，减少了抄表工作的人力、物力；相比于预付费水表有很好的可靠性和抗干扰性；网络技术的应用实现了在线监控；适用范围广，不仅对小口径（DN15~25）的用水户，而且对大宗用水户（DN80~200）也可实现远传抄表管理。 

    缺点：需要基表有相对集中安装的环境；电话网、电台、网络技术等传输方式需长期占用频点，需要交费，如果集中安装的数量少，不经济；成本较高。
智能水表在使用方面的发展方向 

    一、国家建设部2001年颁布了CJ/T 133—2001《IC卡冷水水表》行业标准标示了智能预付费水表技术的成熟和定型，国内出现了一些优秀的智能预付费水表制造商和系统集成公司，水资源的缺乏使得政府和自来水公司都不得不加快阶梯水价的推行和实施，随着智能预付费水表的性能的提高和价格的降低，将在国内有一个很好的发展。 

    二、随者科学技术的发展、社会的进步，技术先进、高精度、稳定性好的远传水表和智能集中抄表系统将是今后收费计量的发展趋势。 

    几点建议 

    一、 贸易结算水表是总公司对用户结算收费的主要器具且数量大，对其的使用就尤为重要。水表选型应以“技术先进、计量准确、性能稳定、比质比价、比效益”为原则。 

    二、 随着科技的进步，新技术的发展越来越快，总公司应把技术先进、稳定性好、高精度的计量仪表应用于总公司的生产经营中，以提高总公司的经营管理水平，因此总公司应认真做好新技术和新产品的引进工作，通过试验和试用工作，对性能和效益进行技术经济分析，为总公司的贸易结算水表的选型提供科学的依据。 

    结束语 

    科学技术就是生产力，随着“一户一表”工作的全面推行，用于总公司的结算水表将剧增，大量使用普通机械水表将为后期的运营管理增加大量繁重的工作和困难，智能、高精度水表的推广应用无疑推动了自来水收费计量的技术进步，随着社会的进步和科学技术的发展，我们坚信成熟的高新技术在自来水收费计量中的应用将会越来越广泛。
由于我们没有对制造厂家和使用单位进行实地考察以及我们收集掌握的资料有限和我们专业知识的欠缺，报告中有不尽完善之处请领导谅解和指正，我们在今后的工作中将不断改进。