基于M2M技术的自来水远程抄表及监控系统介绍v1

基于M2M技术的自来水远程抄表及监控系统
中国移动集团公司提出的：中国移动要成为高水平移动信息专家、开展蓝海战略避免低层次竞争、服务大众、把为客户创造价值放首位的战略思想，中国移动集团山东有限公司与国内知名水表生产企业一起深入自来水生产企业一线，了解真正需求，针对自来水企业特殊需求定制GPRS无线终端产品，并结合自身M2M业务实施经验及省级M2M运营支撑平台能力。

完成了“基于M2M技术的自来水远程抄表及监控系统”的解决方案。

凭借自身的技术优势、地缘优势、人力优势为我省自来水生产客户，提供全面的基于GPRS无线网络的M2M自来水远程抄表及监控服务。

M2M是：中国移动通过以GSM/GPRS/3G网络为平台，采用GPRS 、SMS、CSD等方式，通过特种行业终端，为各种行业客户提供了一种集数据采集、传输、处理和业务管理的M2M整套解决方案。

图：M2M应用的网络结构
基于M2M技术的自来水远程抄表及监控系统
本系统通过中国移动遍布全国的GPRS网络，实现对自来水系统中大用户表计的实时监控，能够有效解决水务部门及时抄表、减少盗用水、监测管网泄漏的难题，便于实现阶梯水价等先进的管理措施。

通过加装电控阀，还可以实现用水的远程控制，强制用户及时缴费，解决恶意拖欠水费的难题。

图：自来水远程抄表及监控系统示意图
系统特点：
实时监测：管理部门可以在监控中心随时观察某个点的用水状况，可以及时发现异常，及时处理，确保系统的可靠运行。

计数准确：电子计数模块支持正反转计数。

配合3脉冲发信水表，可确保电子计数与水表机械计数一致。

安装方便：由于无线蜂窝信号覆盖面广，信号强，采集终端即使安装在井下一般也可使用，不需要为远程抄表进行专门布线。

集抄范围广：在GSM/GPRS网络的覆盖范围之内，都可以完成对集抄的控制和管理。

而且，扩容无限制，接入地点无限制，能满足
山区、乡镇和跨地区的接入需求。

GPRS天线
联接电子化水表电源线
图：基于GPRS无线网络的水务终端
通信终端特点：
定时采集：可在设定的时间内主动上传采集点的运行数据。

实时控制：可在监控中心随时控制现场阀门的通断。

实时报警：除了温度、压力、开关量输入可以设定实时报警之外，还支持振动、开盖、断线的实时防窃报警，可及时发现人为破坏，有效降低用户损失。

专门针对脉冲累计计数方式进行设计、确保准确无误。

低功耗：通过定时采集、快速上线技术。

大存贮空间：最多可达2MB，保证在特殊情况下，通信不畅通
时仍然可存贮大量的设备运行记录，在通信恢复后重新获取它们。

多计数通道：多达3通道，可同时采集3块表的脉冲计数值，可有效降低系统成本。

动态域名+固定IP：既注重可靠性，又可降低运营成本，提高系统灵活性。

高可靠性：EMC性能好、工业级元器件、全金属屏蔽、光电隔离、WDT保护。

安装方便：没有特殊限制，我们还提供两种可选的安装支架。

环境适应性好：定制水务终端防护等级达到IP68，工作环境温度在－25℃～65℃之间，外壳为金属材料，优良的电磁防护性能。

远程抄表系统管理软件
远程抄表系统软件主要负责实时采集、监测、控制，以及数据的分析，统计功能；采用以COM组件形式按职能分成设备驱动模块、通讯数据处理模块、业务分发模块、实时数据模块及本地文件数据处理；系统采用C/S、B/S相结合的系统构架；C/S主要负责通讯服务转发，数据采集，实时数据库以及数据的解析；B/S主要负责基础信息的管理、基于图形的实时监控、数据查询、报表管理等功能。

管理软件特点：
便于系统扩展。

将各个子系统从逻辑上分开，各个子系统功能相对独立，尽量减少了藕合度，这样，有利于系统的扩展和维护。

针对不同厂家的设备，有不同的物理连接方式和通讯协议。

本系统将这些部分剥离出来，以驱动模块的方式进行单独开发，这样减少了通讯子系统的复杂程度，使通讯子系统具有高度的开放性和可扩展性。

将实时数据以COM组件的形式，作为中间层，便于整个系统功能界面的划分。

将其它高级应用和底层通讯衔接起来。

使整个系统业务以数据流为中心。

而实时数据库组件充当了数据软总线的角色。

这样，整个系统的开放性、可扩展性、灵活性的到充分的保障
本地文件
图：管理软件逻辑
图：远程抄表系统软件的实时监控主界面
GPRS大口径水表远程测控系统
远程抄表系统是利用现代信息技术与流量计量技术完满结合，集计量、数据采集处理、预付费等功能于一体，将大口径水表用水信息加以综合处理的系统。

使供水公司从根本上减少人工上门抄表的繁杂劳动强度。

准确而便捷的掌控水表数据，既可节省人工又可减少供水部门与客户之间的纠纷，又能提高管理部门的工作效率。

大用户水表虽然总体数量不多，但用水量普遍较大，水表或流量计如发生损坏、呆表、碎表、漏水等故障，若供水企业不能尽早排除故障，则会影响与大用户的贸易结算，若发生漏损，则带来水资源的浪费。

由于大口径水表在供水企业中的重要性，供水企业对大口径水表的管理非常重视。

如何缩短大口径水表抄读周期，及时关注大用户用水量情况，监控水表流量和运行状况，能实现防盗报警、险情报警和远程控制等功能，使管理部门能时时掌握用水信息，一直是大口径水表的管理的重点和难点问题。

随着科技的不断发展，对大口径水表和流量计实行远程实时监测，即时了解用户用水规律，分析用水情况成为可能。

提高表务管理水平有效时时握水资源使用情况，即能提高水行业营销管理水平，更能适应现代用户对用水缴费的新需求。

1：系统组成：
监控中心：硬件主要包括：主站服务器、GPRS模块等、中国移动IP专线。

软件主要包括：操作系统软件、数据库软件、供水实时监控与管理系统软件、防火墙软件。

通信网络：中国移动公司GPRS无线网络。

测控终端：远程测控成套设备。

计控设备：水表或(超声波流量计、电磁流量计)、压力变送器。

GPRS无线远程抄表系统由监控主站和若干个子站构成，它们之间的通信由中国移动公司的GPRS网络传输。

主站由微机系统和数据通信设备构成，完成数据的显示、存储、分析、统计、控制、打印、
人机界面等功能。

子站由流量计和GPRS无线数据传输设备构成，完成基本数据的采集、传输功能。

由于采用中国移动公司的GPRS网络传输数据，系统构建简单、快捷、稳定。

2：系统主站
2.1硬件配置
微机
打印机
GPRS数据传输器（台式）
2.2软件配置
数据库软件
GPRS远程抄表系统软件（该软件为B/S结构，可以支持在广域网进行浏览查看）
GPRS数据传输器工具软件
2.3系统功能
实时数据采集功能：
瞬时量：瞬时流量
累计量：累计流量
管道压力：压力值
实时数据显示功能；
瞬时量：瞬时流量；
累计量：累计流量；
管道压力：压力值
告警功能：停电告警、水表故障告警、通信终端告警；
状态变化报警提示：告警状态变化。

如压力突然增大或变小。

存储功能：水表信息、实时数据、事件记录、操作记录存入数据库。

统计功能：
报表功能：日报、月报、年报；
曲线功能：日曲线、月曲线、年曲线；
查询功能：
水井表信息、历史纪录、历史曲线、事件记录、操作记录、历史报表；
打印功能：
水表信息、历史纪录、历史曲线、事件记录、操作记录、报表；
安全功能：
密码功能：进入和退出系统必须输入密码；
权限功能：不同的操作员具有不同的功能；
用户切换：不同的操作员交接时可以在系统切换。

扩展功能：
水表数量：用户可以添加或删除水井。

远程控制：在加电磁阀门的情况下可输出远程控制阀门的开启。

设置功能：
水表信息录入、修改；
采集周期设置、修改；
远程维护功能：
远程设置子站（水表）工作参数。

3：子站（水表测控装置）
3.1水表测控装置原理
可根据客户需要，或在现场不同的安装情况下，在管道上安装水表、超声波流量计、电磁流量计。

水表：在管道的水处于恒压、恒流的情况下安装水表比较好，特点是前期投入少，法兰盘式安装，后期维护量大，需要每年查测或更换。

超声波流量计：对管道的水没有特殊要求，插入式或外夹式安装，前期投入比较大，安装方便，一年到三年维护量大（可选）。

电磁流量计：对管道的水没有特殊要求，法栏盘式安装，前期投入比较大，安装不方便，后期维护量小（可选）。

3.2主要设备技术要求
3.2.1 工控机IPC
CPU 类型：Intel 奔腾 4
标称频率 2.8GHz
主板芯片 Intel 865G
内存类型 DDR
内存大小 512MB
硬盘容量 80GB
光驱类型 DVD
显示器大小 19英寸液晶
3.2.2供水收费终端技术要求：
可脱离监控计算机独立工作，采用射频智能卡或TM卡，可输入水量、水费信息，可查询并带有串行通讯接口，可与上位机供水收费系统软件共用数据库，水费价格可以设置、调整。

3.2.3不间断电源UPS技术要求：
型号 C1K C1KS C2K C2KS C3K C3KS
额定容量 1KVA/0.7KW 2KVA/1.4KW 3KVA/2.1KW
输入电压 (115~ 300)VAC
频率 (40~60)Hz（软件可调）
输入
电压 220×（1±2%）VAC
频率与输入同步（市电模式），当市电频率超出（46~54）Hz范围时，输出频率为50×(1±2%)Hz
50×(1±0.2%)Hz(电池模式)
输出波形正弦波
备用时间
（满载/半载）>5’/14 --------- >9’/21’ --------- >5’/15’ ---------- 电池形式 Panasonic阀控式铅蓄电池 ---------- Panasonic阀控式铅蓄电池 ---------- Panasonic阀控式铅蓄电池 ---------- （锂电池）外接电池标称电压 ---------- 36VDC -------------- 96VDC -------------- 96VDC 转换时间零中断
超载能力 110%-150%维持30秒钟后输出转为旁路，150%以上维持300ms
通讯界面 RS-232+Intelligent Slot
操作温度 0℃~40℃
湿度 20%~90%
外观尺寸（W×D×H）（mm×mm×mm
145×400×220
192×460×340
重量（净重）Kg 14 7 34 13．5 34．5 14
3.3水井测控装置功能
实时数据采集功能：
瞬时量：瞬时流量；
累计量：累计流量；
压力值
显示功能：
数值显示：累计流量、瞬时流量、压力。

远程维护功能：
远程参数设置、远程程序升级。

3.4水表测控装置技术指标
供电电压：AC220V±20%
电池供电时间：20小时
采集精度：0.5%
工作温度：-20℃～70℃
相对湿度：不大于90%
外形尺寸：用户指定
防护等级：用户指定
4：GPRS数据通信系统
4.1 GPRS数据通信简介
中国移动公司GPRS网络以无线方式传输采集数据和控制命令。

采用GPRS-VPN方式组建通信网络。

在子站处，以RS232串行口和水井测控装置的RS232串行口连接。

在主站处，以RS232串行口和主站计算机的RS232串行口连接。

其他技术条款
1 流量计
常用流量计包括超声波流量计、超声波流量水表、远传脉冲水表、电磁流量计、涡街流量计等。

他们的主要作用是测量管道内水流的瞬时流量、瞬时流速、累计流量等多种测量数据，通过信号线将采集的数据发送给水资源测控设备进行计算机控制管理。

超声波流量计
超声波流量计是用来测量封闭管路液体流量，用户基于被测管路和流体的特点来选择非接触、附着式、插入式的传感器，将两个传感器按照一定距离安装在管道外侧即可，可以使用两次声程的V法，四次声程的W法，或者采用声波直接穿过被测管路的Z法安装。

超声波流量计主板中央处理器控制两个传感器轮流接收和发射超声波并测量其间的传播时间，计算时间差值，得到的时差与流体的流速由直接的关系，如下表述：
系统设备的功能
采集功能：
⑴、可以采集全系列超声波流量计、超声波水表等计量数据。

⑵、可以采集其它各种超声波流量计、超声波水表及其它串口智能仪表（包括电表）的数据。

⑶、可以采集其它4-20mA及其它标准信号输出的计量仪表数据。

⑷、可以采集其它各种脉冲水表（包括电表）的数据。

如：单脉冲信号输出表、双脉冲信号输出表、防磁攻击脉冲信号输出表、带短路及断路报警功能的脉冲信号输出表。

⑸、可以采集4-20mA信号输出及串口数据输出的各种水位计的数据。

⑹、可以采集4-20mA信号输出及串口数据输出的各种温度计的数据。

⑺、可以采集4-20mA信号输出及串口数据输出的各种水质计的数据。

⑻、可以采集4-20mA信号输出及串口数据输出的各种压力计的数据。

⑼、可以采集4-20mA信号输出及串口数据输出的水泵运行电压的数据。

⑽、可以采集4-20mA信号输出及串口数据输出的水泵运行电流的数据。

⑾、可以采集4-20mA信号输出及串口数据输出的客户关心的数据。

⑿、可以采集判断用水单位水泵的起停工作状态。

⒀、可以采集判断该水资源测控箱内部的接触器工作状态。

⒁、可以采集判断用水单位是否处于紧急取水工作状态。

⒂、可以采集判断该水资源测控箱是否被非法打开。

⒃、可以采集判断该水资源测控箱的进线工作状态。

⒄、可以采集判断该水资源测控箱的出线工作状态。

◇划卡功能：该设备具备非接触式IC读写功能，用户划卡时，该设备可以将卡内水费数据读取，累加到控制器中，并把控制器中存储的现场的历史数据返写到IC卡中，以便下次购水时，将历史数据传送到管理中心的计算机上。

当具备GPRS数据远传条件时，可以不启动现场数据返写IC卡的功能（可选）。

◇充值功能：管理中心被授权的操作人员可以依据办公程序远程为取水单位的测控设备充值水资源费（可选）。

◇告警功能：
⑴、，告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。

（2）、信号线中断，告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。

（3）、自身故障，告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。

（4）、非法打开设备，告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。

⑹、日采水量超过计划，告警，现场设备LED灯亮+蜂鸣音，报警数据上报。

◇控制功能：
⑴、该设备根据其内部预存水费的情况控制水泵的供电电源；费用为0时，该设备自动切断水泵启动柜的进线电源。

输入费用后，自动闭合进线电源。

⑵、具备GPRS数据远传条件时，监控中心可以根据取水单位的
现场情况远程切断和闭合水泵启动柜的进线电源。

◇显示功能：
⑴、该设备可以数字循环显示编号、余量、水价、流量、日期、时间等数据。

⑵、该设备可以LED灯显示故障、错误、欠费、余额、水位、紧急状态等现场信息。

◇查询功能：
⑴、可以在现场使用设备上的按键查询流量、水位、余额及相关的参数及故障信息。

⑵、具备GPRS数据远传条件时，监控中心被授权的操作人员可以远程查询用水单位现场的流量、水位、余额、水泵起停状态及其关心的数据与参数。

◇设置功能：
⑴、专业维护人员使用专用“设置卡”可以现场设置设备的部分参数。

⑵、具备GPRS数据远传条件时，被授权的操作人员可以在监控中心远程修正和设置设备的一些参数。

如地址、工作模式、校时、数据上报时间周期、购水量等。

◇存储功能：该设备具备铁电存储功能，数据掉电不丢失，存储不低于30天的历史记录。

◇应急功能：该设备在特殊情况下可以应急取水，应急取水量及时间长度由水务监控中心决定，应急期间所取水量发生的费用在下次购水时自动扣除。

◇通信功能：
⑴、该设备可以通过GPRS网络与多个监控中心通信，可以将现场数据同时发送到区县、市、省水务监控中心、信息中心。

也可以只发送到县水务监控中心，数据逐级上报。

⑵、该设备可以设置成主动向管理中心上报数据模式，也可以设置成被管理中心问询模式。

主动上报模式分两种情况：一是现场状态
发生变化时上报，二是定时上报。

问询模式是只有管理中心发出问询命令，该设备才上报数据。

⑶、以GPRS网络为主要通信通道，以SMS短消息通道作为备用通道，两个通道同时存在，可以切换使用。

◇电源功能：
⑴、该设备可以安装到具备220VAC供电的现场，也可以安装到具备380VAC供电的现场。

⑵、该设备配备备用电源，外部供电系统发生故障时，系统可以继续正常运行不低于2天。

配备大容量蓄电池可以支持设备正常运行10天以上。

◇避雷功能：
⑴、水资源测控箱内部的水资源测控器、GPRS模块等产品都做了防雷保护设计。

可以满足一般情况下的避雷要求。

⑵、水资源测控箱现场安装时要求防雷接地，接地电阻小于4Ω；也可加装其它
避雷设施进行多重避雷保护。

测控系统设备的特点
◇兼容性强：
⑴、该设备可以采集任何一家公司生产的各种脉冲水表、4-20mA 模拟量输出水表和带串口的流量计直接测量的用水量。

自动控制水资源的使用。

⑵、该设备可以采集任何一家公司生产的脉冲电表、串口电表的数据，根据用电量核算出用水量，自动控制水资源的使用。

⑶、该设备可以采集现场水泵的开关时间及状态，根据水泵运行时间和水泵流量计算出用水量，自动控制水资源的使用。

◇维护方便：
⑴、该设备内部为模块化结构，主要有水资源控制模块、GPRS
通信模块、电源模块、供电线路控制模块（接触器）、计量模块（可以安装在箱外），一个模块如果发生故障，容易拆卸更换。

⑵、作为核心的水资源控制模块具备远程维护和软件升级的功能。

当自备井前端现场需要更换增加计量、测量设备，或扩展设备功能时，维护人员可以远程更改设置该模块的参数，必要时可以远程升级程序；提高了维护效率，降低了维护成本。

◇可靠性高：该设备为工业级设计，采用工业级的C8051F芯片及西门子MC35I核心通信模块，采用隔离和专业抗干扰设计技术，可以安装使用在现场环境比较复杂的地方。

◇扩展性强：该设备具备强大的扩展功能：例如，该设备可以接水质、温度、压力、电流、电压变送器，可以挂接32快各种智能串口仪表；必要时可以并入用水单位的“水源井远程测控系统”，实现水资监控中心与用水单位设备共享以及部分信息共享，避免设备重复投资。

系统设备的主要参数
8路模拟量输入
9路开关量输入
5路开关量输出
8位数码显示
1个操作键盘
1路IC卡读写
1路通信串口
1路扩展串口
A/D：12位。

脉冲量测量精度：±0.1%
水位等测量精度：± 0.5%
串行通信误码率：± 0.001%
设备工作功耗：小于150mA（≤5W）
通信畅通率：大于98%
通信延时：GPRS方式：1～2秒 SMS方式：2～3秒（无短信堵塞时）
平均无故障工作时间大于30000小时（MTBF>30000）
安装环境：无强烈腐蚀性气体和导电尘埃，无爆炸危险物品。

工作电源：电源电压AC220V或AC380V，50Hz
水资源测控设备符合的国家和行业标准
GB/T191-2000 包装储运图示标志
GB/T2423.1-2001 电工电子产品环境试验试验A：低温
GB/T2423.2-2001 电工电子产品环境试验试验B：高温
GB/T2423.4-1993 电工电子产品基础环境试验规程试验Db：交变湿热试验方法。

GB/T2423.5-1995 电工电子产品环境试验试验Ea和导则：冲击GB/T2423.6-1995 电工电子产品环境试验试验Eb和导则：碰撞GB/T2423.10-1995 电工电子产品环境试验试验Ec和导则：振动（正弦）
GB/T4208-1993 外壳防护等级（IP代码）
GB/T4798.1-1986 电工电子产品应用环境条件存储
GB4943-2001 信息技术设备的安全
GB/T9813-2000 微型计算机通用规范
GB9969.1-1998 工业产品使用说明书总则
GB/T14436-1993 工业产品保证文件总则
GB/T15464-1995 仪器仪表包装通用技术条件
GB/T17626.2-1998 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗干扰度试验
GB/T17626.4-1998 电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗干扰度试验
GB/T17626.5-1999 电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗干扰
度试验
GB/T17626.11-1999 电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗干扰度试验
ISO/IECI14443-1:2001 识别卡/无接触点集成电路卡/接近式卡物理特性
ISO/IECI14443-2:2001 识别卡/无接触点集成电路卡/接近式卡射频功率和信号接口
ISO/IECI14443-3:2001 识别卡/无接触点集成电路卡/接近式卡传输协议
测控设备与区县管理中心的通信网络
M2M运营支撑平台
M2M运营支撑平台可以做到：
终端上线时需要注册，能够审核终端的合法性。

保障集团客户接入终端的安全性。

监视终端的运行状态，告警时能够及时通知集团客户，缩短故障发现时间，为客户提供快速响应服务。

监视终端所处网络的情况，网络出现故障时可及时发现并主动进行处理。

变以往的被动服务为及时准确的主动服务。

提供集团客户自助服务功能，客户可以通过账号直接登陆M2M运营支撑平台来查看的终端运行情况。

能够帮助集团客户及时准确了解自身的业务情况，并做到清楚消费，减少开发量。

通过将通信协议标准化，降低应用层与通信层的耦合度，屏蔽较为复杂的底层通信技术细节，客户只关心应用层的功能开发，其通信需求可通过简单的参数配置实现，提高业务部署速度。

终端标准化提高终端的互通，互换性，便于快速通过更换设备恢复故障。

利用终端远程升级的功能，可以满足客户由于业务快速发展而不断升级业务功能的需求，提高业务升级的灵活度。

图
：M2M 运营支撑平台与自来水抄表监控系统的结合
中国移动
数字水表 水务
数字水表。