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无线远传水表主板技术说明书

1.系统应用方案

1.1.系统组成

本系统主要由数据服务器、WEB服务器、工作站、GPRS集中器、采集器、手持抄表器、无线远传表具等组成。整个系统的示意框图见下图:

1.2.系统特点

时效性强:数据管理中心和每一个无线远传表及数据采集点保持实时连接。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求;

远程控制:可实现远程对无线远传表的远程控制,进行数据读取、参数调整、阀门开关控制等操作;

集抄范围广:GPRS覆盖范围广,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传输具有很高的数据安全性和准确性,不作专门布线,前期投资少、见效快,后期升级、维护成本低;而且设备安装方便、维护简单;

无线远传表具有自动组网、自动路由功能,大大节省了设备的安装数量

2.无线远传主板特点

2.1.功耗评估

功耗与抄表速率、传输距离、实时性、抄表频率密切相关,不同厂家电池差异性比较大,因无线芯片工作与免费频段,可能存在同频或邻频干扰导致功耗增加,以下为理想条件的功耗评估,仅供参考。

无线远传水表功耗评估
技术指标 典型值 年平均功耗 备注
休眠电流 7uA 61.32mAh 无液晶
10uA 87.6mAh 液晶常显
接收电流 10-12mA
发射电流 120mA
开关阀电流 40mA 5.3mAh 每月2次,完成一个完整开关动作,一次执行20秒。
运行电流 5mA 35mAh 每秒唤醒需要占用800us
脉冲采样 5mA 2.5mAh 每天5m³,100个脉冲,单次采样时间50ms
抄读 46.2mAh 唤醒接收4S,数据发送2.8S,继续接收4S,每天一次抄表
周期唤醒 68.9mAh 每4S内处于接收状态2.1ms

一年最多消耗245.5mAh,使用六年共消耗1473mAh,一节ER18505M容量为3500mAh,考虑到电池的自放电,不同电流下容值差异,温度等影响,一节ER18505M可满足六年使用需求。

2.2.主要射频技术参数

全球知名模拟混合信号与半导体供应商Semtech利用其最新的LoRa调制技术开发出的型号为SX1278的超远距离扩频无线通讯RF芯片,其主要的技术特点就是可将传输距离大幅提升。在稀疏的环境覆盖范围其最大可视传输距离可达到8公里,在环境稠密的地区也可达到1500米以上。

SX1278无线模块的主要技术参数
技术指标 参数 备注
工作电压 1.8~3.6V DC(直流)
中心频率 475MHZ 可定制其他频率
频率误差 +/-10ppm
调制方式 LoRa 可编程配置
输出功率 最大+20dbm
接收灵敏度 -137dbm 300bps
接收电流 10~12mA
发射电流 <120mA +20dbm输出
待机电流 1.5uA(DLE)/ 0.2uA (SLEEP) 参考工作方式
传输速率 0~300kbps 可编程配置
通讯距离 1.5km/LORaTM模式 环境稠密地区
8km/LORaTM模式 环境稀疏地区
天线阻抗 50欧姆
工作温度 -40~85°C
存储温度 -40~125°C

2.3.无线自组网协议

无线远传表采用专用功耗分布式无线自组网、路由协议,工作在433.00-434.79MHz / 470.00-510.00MHz 免费频段。能够充分利用网络中的路由冗余,具有优异的网络自愈性、稳定性和极佳的数据吞吐量。物理层采用了很多先进的无线通信技术如跳频、自适应速率、安全可靠的全网无线唤醒技术、交织纠错编码等;链路层采用智能的碰撞避免算法,具有优异的抗干扰能力。拥有灵活的休眠技术,所有的组网设备都可以休眠,有同步和异步两种休眠模式。

2.4.协议特点

项 目 技术指标
网络拓扑 星-树形、多级传输的网络结构
单一集中器最大节点数 3000
网络初始化时间 2h(1000节点,典型值)
最大路由级数 8级(多级路由不推荐)
高可靠性 握手机制 + 差错重发 + 智能碰撞避免 + 交织纠错编码 + 自适应速率 + 多径路由协议
数据传输方式 双向可靠传输,支持单播、多播、广播
最大数据包长 256 Bytes

2.5.网络拓扑

采用星-树形、多级传输的网络结构,支持的最大级数为8级,单一集中器最大节点数为3000。整个网络只有一个汇聚点(集中器),汇聚点为网络的第0层,其余均为节点,网络初始化时确定自身的级数。

2.6.传输机制

采用竞争的方式使用无线信道,整个网络只使用一个特定的信道。数据传输时通过CSMA/CA机制来避免碰撞,发生碰撞后,再使用随机退避,可以大大降低碰撞的概率,同时每个节点由汇聚点(集中器)进行节点序号分配,数据传输时优先根据序号进行传输,可有效避免数据冲突碰撞,实现双重碰撞算法。每个节点均有一个全网唯一的ID,作为通信地址。所有的通信都要求应答,以确保数据正确到达目标地址。若没有收到应答,则采用超时重发机制,整个网络的丢包率非常低。

2.7.路径维护

采用自组网协议方式,汇聚点(集中器)发出组网命令后自动搜索网络节点。每个节点选择多条较优路径进行传输,多条路径互为备份。

本方案路径维护与表具物理地址实现绑定,分别按照楼栋、单元、楼层、房号进行绑定,当物理地址不规则时采用虚拟化地址进行绑定,地址、周围节点、无线信号质量三者结合实现最佳通信路劲计算,寻找一条或多条可靠通讯路径,确保整个网络稳定。

2.8.功率控制

为了降低功耗,增加电池的使用寿命,在保证连通性的前提下,通过功率控制算法,将发射功率调节到一个合适的值。针对路由节点单点功耗高问题,采取功耗平衡算法,利用周围可路由节点全参与,不固定到某一个节点,实现路由功耗的平衡。

本方案应尽可能少用或不用表具路由方式,路由会增加整个网络功耗和通讯的稳定性,同时为了提高因网络稳定性导致的成功率问题,必须通过表具路由方案解决更为经济,一般来说整个网络直接抄收率≥95%,仅允许少量的表具通过路由,采用此方案抄表成功率≈100%。

2.9.无线参数设置

表具在使用过程中,仍可通过抄表器、集中器更改表内无线模块的射频参数(如工作频率、初始化频率、WOR唤醒周期等)。以避免现场其它无线设备的同频干扰。

2.10.无线工作时段设置

2.10.1.抄表工作时段

表具在使用过程中,仍可通过抄表器、集中器更改表内无线模块的射频参数(如工作频率、初始化频率、WOR唤醒周期等)。以避免现场其它无线设备的同频干扰。

抄表工作时段编排方式依照130电力负控规约。每2个小时为一个工作时段,每个工作时段又分为8个时段区间,每15分钟为一个时间区段,每个时间区段以一位编码表示两种控制状态:“0”表示不允许工作,“1”表示允许工作。。

字节 名称 字 节 格 式
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
A0 01:45~02:00 01:30~01:45 01:30~01:45 01:00~01:15 00:45~01:00 00:30~00:45 00:30~00:45 00:00~00:15
A1 03:45~04:00 03:30~03:45 03:15~03:30 03:00~03:15 02:45~03:00 02:30~02:45 02:15~02:30 02:00~02:15
A2 05:45~06:00 05:30~05:45 05:15~05:30 05:00~05:15 05:00~05:15 04:30~04:45 04:15~04:30 04:00~04:15
A3 07:45~08:00 07:30~07:45 07:15~07:30 07:00~07:15 06:45~07:00 06:30~06:45 06:15~06:30 06:00~06:15
A4 09:45~10:00 09:30~09:45 09:15~09:30 09:00~09:15 08:45~09:00 08:30~08:45 08:15~08:30 08:00~08:15
A5 11:45~12:00 11:30~11:45 11:15~11:30 11:00~11:15 10:45~11:00 10:30~10:45 10:15~10:30 10:00~10:15
A6 13:45~14:00 13:30~13:45 13:15~13:30 13:00~13:15 12:45~13:00 12:30~12:45 12:15~12:30 12:00~12:15
A7 15:45~16:00 15:30~15:45 15:15~15:30 15:00~15:15 14:45~15:00 14:30~14:45 14:15~14:30 14:00~14:15
A8 17:45~18:00 17:30~17:45 17:15~17:30 17:00~17:15 16:45~17:00 16:30~16:45 16:15~16:30 16:00~16:15
A9 19:45~20:00 19:30~19:45 19:15~19:30 19:00~19:15 18:45~19:00 18:30~18:45 18:30~18:45 18:00~18:15
A10 21:45~22:00 21:30~21:45 21:15~21:30 21:00~21:15 20:45~21:00 20:30~20:45 20:15~20:30 20:00~20:15
A11 23:45~24:00 23:30~23:45 23:15~23:30 23:00~23:15 22:45~23:00 22:30~22:45 22:15~22:30 22:00~22:15

2.10.2.抄表工作日期

抄表工作日期可设置每个月的某段时间,表具无线模块是否处于工作状态。每天以一位编码表示两种控制状态:“0”表示不允许工作,“1”表示允许工作。

字节 名称 字 节 格 式
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
A0 08 07 06 05 04 03 02 01
A1 16 15 14 13 12 11 10 09
A2 24 23 22 21 20 19 18 17
A3 31 30 29 28 27 26 25

2.10.2.“功能”按钮触发无线工作

即使无线模块处于非工作时段,在有用户触发功能按钮(或强磁一次)后,也会自动进入无线激活状态,维持时间 60 秒。

2.11.群抄功能

全网统一唤醒,实现真正意义的群抄;

精准时钟控制,确保数据有序返回;

合理的TDMA(时分多址)退避算法,减少数据碰撞机率;

可按照每月、每周、每天进行自动抄表,无需人工干预。

A、原有方案

B、现有方案

方案A中,需对每只表进行单独唤醒,基于LoRa的无线表周期处于监听状态,一旦检测到空中无线信号将处于接收状态,需在数据发送的最后时刻才能判断是否为自身有用信号,会导致功耗的浪费,而LoRa自身传输距离远,影响范围广,对于要求低功耗无线表来说极其不利。

方案B中,由汇聚点(集中器)发起一次全网唤醒信号,与自己ID相符的表具才会进行响应,收到无线数据后立即进入休眠低功耗状态,通过序号等参数计算主动上报时间,定时时间到后主动发送无线数据,结合实际环境,退避间隔可设置为500ms、900ms、1600ms、2900ms,其中2900ms间隔通讯效果最佳,但是抄表时间略长。

3.主要技术参数

3.1.硬件参数

3.1.1.双通道脉冲采样

计量表具的指示装置输出信号为机械信号,要实现无线抄表需首先应将机械信号转换为电子信号。远传表采用的是磁敏组件组成的脉冲发生器,在机械指示器0.01m3字轮上安装一永磁铁,两只干簧继电器呈180°夹角安装其附近,字轮每旋状一周,每只干簧管被吸合至少一次,由此产生一个计数脉冲,表示一个脉冲体积当量0.1m3。在电源不间断的情况下,机械、电子记录的累积流量是一致的。机电转换误差:小于0.1m3。

3.1.2.双电源供电技术

无线远传表采用内置锂电池加外置碱性电池的双电源供电方案,两种电源自动切换。

当外置电池被取出时,控制阀将关闭,表具自动转由内置锂电池供电。即使用户未装外置电池,管理人员仍可以抄读表具的状态或发出控制指令。

锂电池仅提供无线通讯、液晶显示等用电(不负责开关阀等)。在完全没有外置电池时,一节ER14505锂电池也能至少保证五年以上的可靠运行。

当外置电池安装后,内置锂电池自动切断,不再耗电。同时,控制阀将打开,恢复使用。

当锂电池故障时(开路、短路、电量不足等),电路自动隔离,不影响整表功能。

3.1.3.内部实时时钟

内部采用±10ppm精度的时钟晶振,一年的误差不超过10分钟。另外,抄表器、集中器抄表时,会自动同步表具当前时钟。保证每个表具的时钟准确无误,满足实际使用的要求。

3.1.4.掉电关阀保护

检测到主电源被拔出时,主动关闭阀门,立即停止使用。

3.2.软件参数

3.2.1.电压检测参数

一级电压检测点为2.9V,每秒检测一次,连续检测2次。

二级电压检测点为2.7V,每秒检测一次,连续检测5次。

截止电压检测点为1.5V,每秒检测一次,连续检测2次。

3.2.2.脉冲计数当量

脉冲当量0.1方,双脉冲计数。

脉冲当量1方,双脉冲计数。

脉冲当量0.01方,双脉冲计数。

3.2.3.主板供电方式

仅需锂电池有电就开阀。

3.2.4.上电时间

为了保证给电容充满电,默认充电时间为5秒。

3.2.5.阀门参数

五线制阀门,开关阀开关到位信号检测,最大开关阀时间20秒。

两线制阀门,堵转电流检测,堵转到位电流90mA,最大开关阀时间20秒。

4.主要功能

4.1.常规功能

4.1.1.二级电压检测

无线远传表对电池电压实时检测,当连续检测到电池电压低于一级电压时,提示用户更换电池,当连续检测到电池电压低于二级电压时,将关闭阀门,需更换电池后才能继续使用。

4.1.2.磁干扰检测

由于采用磁性传感器累积计量,当外界有磁干扰时,有可能会使用累积量产生误差。本方案设计有外界磁场检测功能,当检测到外置磁干扰时,会关闭控制阀,停止用户使用。只有当外界磁干扰撤出,用户按功能按钮后,才会恢复继续使用。故障提示代码“E-6”,磁干扰消失后自动解除。

4.1.3.阀门故障判断

阀门出现故障,表具会继续正常计数,且会多次(默认为 4 次)尝试继续关闭控制阀。当超过 4 次,阀门仍未关闭,即记录“阀门故障”。抄表器或集中器抄表时,会反应在表具状态中。故障提示代码“E-8”,排除故障后用手持机或抄表器发送开阀命令解除。

4.1.4.故障异常记录

针对表端一些故障、异常、特殊事件发生时,用户有了解特定事件产生日期的需求。表内记录最近 60 次特殊事件发生的时间。包括:

强磁干扰

过流量

控制阀故障

脉冲传感器故障

基表故障

电池上电

电池下电

4.1.5.历史月用量信息记录

表具可记录最近 10 年每个月的用量信息。(每个月保存数据的日期,可设置)

4.1.6.历史日用量信息记录

表具可记录最近 60天 的每天用量信息

4.1.7.液晶显示

LCD液晶显示方式分为三种,分别为非常显(触发显示方式)、常显(一直显示,欠压时触发显示)、一直常显(无论是否欠压均保持一直显示),使用时根据需求进行选取,常显状态时功耗会略高,一般推荐有按钮的外壳采用触发显示方式,无按钮的外壳采用常显,不推荐选用一直显示方式。

4.1.8.远程阀控

无线远传表可以接收并响应手持抄表器或集中器发出的关闭控制阀指令,阀门关闭后,用户不能自行打开阀门

无线远传表可以接收手持抄表器或集中器发出的打开控制阀指令,用户通过按功能按钮(无人工干预需求时阀门自动打开),可打开阀门恢复使用。

4.1.9.远程数据抄读

无线远传表可以接收并响应手持抄表器或集中器发出的抄读数据指令,包括:

读控制阀状态(开、关或异常);

读电池电压状态(正常、欠压、电压值);

读外磁场攻击状态(有或无);

读累积流量(总用量);

4.2.特殊功能

4.2.1.上电显示编号[软件功能]

主板上电过程结束之后,主动显示表具编号,一屏显示不完全时分两屏显示,先显示高位,后显示低位,方便进行编号核对,一般适用于无按钮的模具。

4.2.2.低电压不计量 [软件功能]

当电池电压欠压时不进行计量,针对霍尔传感器采用此判断方法。

4.2.3.阀门开管到位检测[硬件功能]

阀门检测开管到位通过开关到位进行检测,在设定时间内检测到到位开关信号立即停止阀门动作。

4.2.4.开关阀到位电流检测[硬件功能]

阀门开关到位通过检测电流方式,阀门为到位堵转阀门,当阀门到位之后电流会迅速增加,一般大于90mA,连续检测30ms判断为阀门到位。

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