1.系統應用方案

1.1.系統組成

本系統主要由數據服務器、WEB服務器、工作站、GPRS集中器、采集器、手持抄表器、無線遠傳表具等組成。整個系統的示意框圖見下圖：

1.2.系統特點

時效性強：數據管理中心和每一個無線遠傳表及數據采集點保持實時連接?？珊芎玫臐M足系統對數據采集和傳輸實時性的要求;

遠程控制：可實現遠程對無線遠傳表的遠程控制，進行數據讀取、參數調整、閥門開關控制等操作;

集抄范圍廣：GPRS覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制。能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求;

GPRS傳輸具有很高的數據安全性和準確性，不作專門布線，前期投資少、見效快，后期升級、維護成本低；而且設備安裝方便、維護簡單;

無線遠傳表具有自動組網、自動路由功能，大大節省了設備的安裝數量

2.無線遠傳主板特點

2.1.功耗評估

功耗與抄表速率、傳輸距離、實時性、抄表頻率密切相關，不同廠家電池差異性比較大，因無線芯片工作與免費頻段，可能存在同頻或鄰頻干擾導致功耗增加，以下為理想條件的功耗評估，僅供參考。

無線遠傳水表功耗評估
技術指標	典型值	年平均功耗	備注
休眠電流	7uA	61.32mAh	無液晶
	10uA	87.6mAh	液晶常顯
接收電流	10-12mA
發射電流	120mA
開關閥電流	40mA	5.3mAh	每月2次，完成一個完整開關動作，一次執行20秒。
運行電流	5mA	35mAh	每秒喚醒需要占用800us
脈沖采樣	5mA	2.5mAh	每天5m3，100個脈沖，單次采樣時間50ms
抄讀		46.2mAh	喚醒接收4S，數據發送2.8S，繼續接收4S，每天一次抄表
周期喚醒		68.9mAh	每4S內處于接收狀態2.1ms

一年最多消耗245.5mAh，使用六年共消耗1473mAh，一節ER18505M容量為3500mAh，考慮到電池的自放電，不同電流下容值差異，溫度等影響，一節ER18505M可滿足六年使用需求。

2.2.主要射頻技術參數

全球知名模擬混合信號與半導體供應商Semtech利用其最新的LoRa調制技術開發出的型號為SX1278的超遠距離擴頻無線通訊RF芯片，其主要的技術特點就是可將傳輸距離大幅提升。在稀疏的環境覆蓋范圍其最大可視傳輸距離可達到8公里，在環境稠密的地區也可達到1500米以上。

SX1278無線模塊的主要技術參數
技術指標	參數	備注
工作電壓	1.8～3.6V DC（直流)
中心頻率	475MHZ	可定制其他頻率
頻率誤差	+/-10ppm
調制方式	LoRa	可編程配置
輸出功率	最大+20dbm
接收靈敏度	-137dbm 300bps
接收電流	10～12mA
發射電流	<120mA	+20dbm輸出
待機電流	1.5uA（DLE）/ 0.2uA (SLEEP)	參考工作方式
傳輸速率	0～300kbps	可編程配置
通訊距離	1.5km/LORaTM模式	環境稠密地區
	8km/LORaTM模式	環境稀疏地區
天線阻抗	50歐姆
工作溫度	-40～85°C
存儲溫度	-40～125°C

2.3.無線自組網協議

無線遠傳表采用專用功耗分布式無線自組網、路由協議，工作在433.00-434.79MHz / 470.00-510.00MHz 免費頻段。能夠充分利用網絡中的路由冗余，具有優異的網絡自愈性、穩定性和極佳的數據吞吐量。物理層采用了很多先進的無線通信技術如跳頻、自適應速率、安全可靠的全網無線喚醒技術、交織糾錯編碼等；鏈路層采用智能的碰撞避免算法，具有優異的抗干擾能力。擁有靈活的休眠技術，所有的組網設備都可以休眠，有同步和異步兩種休眠模式。

2.4.協議特點

項 目	技術指標
網絡拓撲	星-樹形、多級傳輸的網絡結構
單一集中器最大節點數	3000
網絡初始化時間	2h（1000節點，典型值）
最大路由級數	8級（多級路由不推薦）
高可靠性	握手機制 + 差錯重發 + 智能碰撞避免 + 交織糾錯編碼 + 自適應速率 + 多徑路由協議
數據傳輸方式	雙向可靠傳輸，支持單播、多播、廣播
最大數據包長	256 Bytes

2.5.網絡拓撲

采用星-樹形、多級傳輸的網絡結構，支持的最大級數為8級，單一集中器最大節點數為3000。整個網絡只有一個匯聚點（集中器），匯聚點為網絡的第0層，其余均為節點，網絡初始化時確定自身的級數。

2.6.傳輸機制

采用競爭的方式使用無線信道，整個網絡只使用一個特定的信道。數據傳輸時通過CSMA/CA機制來避免碰撞，發生碰撞后，再使用隨機退避，可以大大降低碰撞的概率，同時每個節點由匯聚點（集中器）進行節點序號分配，數據傳輸時優先根據序號進行傳輸，可有效避免數據沖突碰撞，實現雙重碰撞算法。每個節點均有一個全網唯一的ID，作為通信地址。所有的通信都要求應答，以確保數據正確到達目標地址。若沒有收到應答，則采用超時重發機制，整個網絡的丟包率非常低。

2.7.路徑維護

采用自組網協議方式，匯聚點（集中器）發出組網命令后自動搜索網絡節點。每個節點選擇多條較優路徑進行傳輸，多條路徑互為備份。

本方案路徑維護與表具物理地址實現綁定，分別按照樓棟、單元、樓層、房號進行綁定，當物理地址不規則時采用虛擬化地址進行綁定，地址、周圍節點、無線信號質量三者結合實現最佳通信路勁計算，尋找一條或多條可靠通訊路徑，確保整個網絡穩定。

2.8.功率控制

為了降低功耗，增加電池的使用壽命，在保證連通性的前提下，通過功率控制算法，將發射功率調節到一個合適的值。針對路由節點單點功耗高問題，采取功耗平衡算法，利用周圍可路由節點全參與，不固定到某一個節點，實現路由功耗的平衡。

本方案應盡可能少用或不用表具路由方式，路由會增加整個網絡功耗和通訊的穩定性，同時為了提高因網絡穩定性導致的成功率問題，必須通過表具路由方案解決更為經濟，一般來說整個網絡直接抄收率≥95%，僅允許少量的表具通過路由，采用此方案抄表成功率≈100%。

2.9.無線參數設置

表具在使用過程中，仍可通過抄表器、集中器更改表內無線模塊的射頻參數（如工作頻率、初始化頻率、WOR喚醒周期等）。以避免現場其它無線設備的同頻干擾。

2.10.無線工作時段設置

2.10.1.抄表工作時段

表具在使用過程中，仍可通過抄表器、集中器更改表內無線模塊的射頻參數（如工作頻率、初始化頻率、WOR喚醒周期等）。以避免現場其它無線設備的同頻干擾。

抄表工作時段編排方式依照130電力負控規約。每2個小時為一個工作時段，每個工作時段又分為8個時段區間，每15分鐘為一個時間區段，每個時間區段以一位編碼表示兩種控制狀態：“0”表示不允許工作，“1”表示允許工作。。

字節 名稱	字 節 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

抄表工作日期可設置每個月的某段時間，表具無線模塊是否處于工作狀態。每天以一位編碼表示兩種控制狀態：“0”表示不允許工作，“1”表示允許工作。

字節 名稱	字 節 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”按鈕觸發無線工作

即使無線模塊處于非工作時段，在有用戶觸發功能按鈕（或強磁一次）后，也會自動進入無線激活狀態，維持時間 60 秒。

2.11.群抄功能

全網統一喚醒，實現真正意義的群抄；

精準時鐘控制，確保數據有序返回；

合理的TDMA（時分多址）退避算法，減少數據碰撞機率；

可按照每月、每周、每天進行自動抄表，無需人工干預。

A、原有方案

B、現有方案

方案A中，需對每只表進行單獨喚醒，基于LoRa的無線表周期處于監聽狀態，一旦檢測到空中無線信號將處于接收狀態，需在數據發送的最后時刻才能判斷是否為自身有用信號，會導致功耗的浪費，而LoRa自身傳輸距離遠，影響范圍廣，對于要求低功耗無線表來說極其不利。

方案B中，由匯聚點（集中器）發起一次全網喚醒信號，與自己ID相符的表具才會進行響應，收到無線數據后立即進入休眠低功耗狀態，通過序號等參數計算主動上報時間，定時時間到后主動發送無線數據，結合實際環境，退避間隔可設置為500ms、900ms、1600ms、2900ms，其中2900ms間隔通訊效果最佳，但是抄表時間略長。

3.主要技術參數

3.1.硬件參數

3.1.1.雙通道脈沖采樣

計量表具的指示裝置輸出信號為機械信號，要實現無線抄表需首先應將機械信號轉換為電子信號。遠傳表采用的是磁敏組件組成的脈沖發生器，在機械指示器0.01m3字輪上安裝一永磁鐵，兩只干簧繼電器呈180°夾角安裝其附近，字輪每旋狀一周，每只干簧管被吸合至少一次，由此產生一個計數脈沖，表示一個脈沖體積當量0.1m3。在電源不間斷的情況下，機械、電子記錄的累積流量是一致的。機電轉換誤差：小于0.1m3。

3.1.2.雙電源供電技術

無線遠傳表采用內置鋰電池加外置堿性電池的雙電源供電方案，兩種電源自動切換。

當外置電池被取出時，控制閥將關閉，表具自動轉由內置鋰電池供電。即使用戶未裝外置電池，管理人員仍可以抄讀表具的狀態或發出控制指令。

鋰電池僅提供無線通訊、液晶顯示等用電（不負責開關閥等）。在完全沒有外置電池時，一節ER14505鋰電池也能至少保證五年以上的可靠運行。

當外置電池安裝后，內置鋰電池自動切斷，不再耗電。同時，控制閥將打開，恢復使用。

當鋰電池故障時（開路、短路、電量不足等），電路自動隔離，不影響整表功能。

3.1.3.內部實時時鐘

內部采用±10ppm精度的時鐘晶振，一年的誤差不超過10分鐘。另外，抄表器、集中器抄表時，會自動同步表具當前時鐘。保證每個表具的時鐘準確無誤，滿足實際使用的要求。

3.1.4.掉電關閥保護

檢測到主電源被拔出時，主動關閉閥門，立即停止使用。

3.2.軟件參數

3.2.1.電壓檢測參數

一級電壓檢測點為2.9V，每秒檢測一次，連續檢測2次。

二級電壓檢測點為2.7V，每秒檢測一次，連續檢測5次。

截止電壓檢測點為1.5V，每秒檢測一次，連續檢測2次。

3.2.2.脈沖計數當量

脈沖當量0.1方，雙脈沖計數。

脈沖當量1方，雙脈沖計數。

脈沖當量0.01方，雙脈沖計數。

3.2.3.主板供電方式

僅需鋰電池有電就開閥。

3.2.4.上電時間

為了保證給電容充滿電，默認充電時間為5秒。

3.2.5.閥門參數

五線制閥門，開關閥開關到位信號檢測，最大開關閥時間20秒。

兩線制閥門，堵轉電流檢測，堵轉到位電流90mA，最大開關閥時間20秒。

4.主要功能

4.1.常規功能

4.1.1.二級電壓檢測

無線遠傳表對電池電壓實時檢測，當連續檢測到電池電壓低于一級電壓時，提示用戶更換電池，當連續檢測到電池電壓低于二級電壓時，將關閉閥門，需更換電池后才能繼續使用。

4.1.2.磁干擾檢測

由于采用磁性傳感器累積計量，當外界有磁干擾時，有可能會使用累積量產生誤差。本方案設計有外界磁場檢測功能，當檢測到外置磁干擾時，會關閉控制閥，停止用戶使用。只有當外界磁干擾撤出，用戶按功能按鈕后，才會恢復繼續使用。故障提示代碼“E-6”，磁干擾消失后自動解除。

4.1.3.閥門故障判斷

閥門出現故障，表具會繼續正常計數，且會多次（默認為 4 次）嘗試繼續關閉控制閥。當超過 4 次，閥門仍未關閉，即記錄“閥門故障”。抄表器或集中器抄表時，會反應在表具狀態中。故障提示代碼“E-8”，排除故障后用手持機或抄表器發送開閥命令解除。

4.1.4.故障異常記錄

針對表端一些故障、異常、特殊事件發生時，用戶有了解特定事件產生日期的需求。表內記錄最近 60 次特殊事件發生的時間。包括：

強磁干擾

過流量

控制閥故障

脈沖傳感器故障

基表故障

電池上電

電池下電

4.1.5.歷史月用量信息記錄

表具可記錄最近 10 年每個月的用量信息。（每個月保存數據的日期，可設置）

4.1.6.歷史日用量信息記錄

表具可記錄最近 60天 的每天用量信息

4.1.7.液晶顯示

LCD液晶顯示方式分為三種，分別為非常顯（觸發顯示方式）、常顯（一直顯示，欠壓時觸發顯示）、一直常顯（無論是否欠壓均保持一直顯示），使用時根據需求進行選取，常顯狀態時功耗會略高，一般推薦有按鈕的外殼采用觸發顯示方式，無按鈕的外殼采用常顯，不推薦選用一直顯示方式。

4.1.8.遠程閥控

無線遠傳表可以接收并響應手持抄表器或集中器發出的關閉控制閥指令，閥門關閉后，用戶不能自行打開閥門

?無線遠傳表可以接收手持抄表器或集中器發出的打開控制閥指令，用戶通過按功能按鈕（無人工干預需求時閥門自動打開），可打開閥門恢復使用。

4.1.9.遠程數據抄讀

無線遠傳表可以接收并響應手持抄表器或集中器發出的抄讀數據指令，包括：

讀控制閥狀態（開、關或異常）；

讀電池電壓狀態（正常、欠壓、電壓值）；

讀外磁場攻擊狀態（有或無）；

讀累積流量（總用量）；

4.2.特殊功能

4.2.1.上電顯示編號[軟件功能]

主板上電過程結束之后，主動顯示表具編號，一屏顯示不完全時分兩屏顯示，先顯示高位，后顯示低位，方便進行編號核對，一般適用于無按鈕的模具。

4.2.2.低電壓不計量 [軟件功能]

當電池電壓欠壓時不進行計量，針對霍爾傳感器采用此判斷方法。

4.2.3.閥門開管到位檢測[硬件功能]

閥門檢測開管到位通過開關到位進行檢測，在設定時間內檢測到到位開關信號立即停止閥門動作。

4.2.4.開關閥到位電流檢測[硬件功能]

閥門開關到位通過檢測電流方式，閥門為到位堵轉閥門，當閥門到位之后電流會迅速增加，一般大于90mA，連續檢測30ms判斷為閥門到位。