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物联网气表主板技术说明书

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、管理信息化综合平台和GPRS物联网表等组成。整个系统的示意框图见下图:

数据服务器是一个包含用户信息数据、价格组成数据、用户缴费交易数据以及根据管理部门的需要所设计的各种查询统计数据在内的数据库系统。它除了与WEB服务器、物联网表进行数据交换外,还具有数据完整性检查、数据的备份与恢复、数据库用户权限及安全性的管理。

WEB服务器是一台在Internet上具有独立IP地址的计算机,可以向Internet上的客户机提供各种Internet服务。在本系统中,WEB服务器给客户端提供用户管理、抄表计划管理、抄表记录查询、收费管理、报表管理等界面功能。

管理信息化综合平台:通过该平台可直接与物联网通讯,通过GPRS方式完成对表具的计量数据抄读、状态检测、阀门控制等功能。

物联网表是系统的计量和控制部分,它完成对用户所用情况的计量工作。同时,接收管理信息化综合平台,响应或返回指定数据、执行特定动作(如关阀或开阀)。

1.2.系统特点成

远程控制:可有效实现对表具的远程控制,进行数据读取、参数调整、开关阀控制等操作;

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,无须安装集中抄表设备;前期投资少、见效快,后期升级、维护成本低;而且表具安装方式与普通表基本相同、维护简单;

各种远程抄表方案的优劣对比
项 目 GPRS物联网表 有线远传表
安装难易程度 安装简单,与普通表基本相同 需布专用的通讯网络,安装难度大,一旦破坏很难恢复。
调试难易程度 简单,经稍加培训即可操作 很难,需专门技术人员进行调试。
直接成本
运行成本 一般
耗电情况 可使用市电
数据传输实时性 一天或一周上报一次数据 可随时查看数据
网络迁移风险 风险较大 低(更换集中器模块)
受外部干扰 较高
维护难易程度 简单 难,需专门的技术人员
维护成本 一般 非常高

2.物联网主板特点

2.1.2.1.功耗评估

物联网表因自身功耗比较高,不能满足实时在线需求,仅能通过定时在线上传方式进行数据传输,一般推荐最快联网频率不超过一天一次。

物联网气表功耗评估
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
开关阀电流 40mA 1.15mAh 每周开关阀门一次,每次2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 730mAh 联网注册约需要90秒,平均电流80mA,每天上传一次数据。

一年最多消耗856mAh,四节南孚干电池容量为2500mAh,考虑到电池的自放电,不同电流下容值差异,温度等影响,四节南孚干电池可满足二年使用需求。

2.2.通讯模组介绍

M6310是中国移动推出的一款工业级GSM通信模组,支持贴片式SIM卡,具有小尺寸、低功耗、温度范围宽、抗干扰能力强的特点,同时内嵌丰富、稳定、可靠的网络协议,可向无线抄表、无线POS、车载等行业客户提供无线通信功能。

产品型号及详细参数指标 M6310
封装方式 LCC
通信制式 GSM/GPRS
通信频段 900/1800MHz
数据功能 GPRS multi-slot class 1~12 GPRS mobile station class B 编码格式:CS1~CS4
短信功能 支持MT,MO,CB,Text和PDU模式
通讯芯片 MT6252D
产品认证 CCC,China TA
尺寸大小 27.5*24.0*2.7mm
温度范围 -40~+85℃
电流特性 闲置电流 30uA
待机电流 1.3mA
工作电流 60mA~600mA
电压特性 3.3~4.6V
硬件接口 UART 支持,2路,一路为主串口,一路为调试串口
SPI 不支持
ADC 支持1路
GPIO 不支持
PWM/BUZZER 不支持
睡眠唤醒 支持
SIM interface 支持贴片式SIM卡
电源输出 支持
唤醒方式 语音唤醒 不支持
短信唤醒 支持
数据唤醒 支持
传输协议 PPP,TCP,UDP,FTP,HTTP
嵌入系统 Nucleus
远程升级 FOTA
开发工具 开发工具包

2.3.数据上传方式

2.3.1.定时上传方式

当物联网智能表内部时钟运行达到系统设置要求数据上传的时间点时,表具主动上传表具相关实时数据,并获取相关命令,可设置为每天、每周、每月上传,并可进行组合设置为每10天、每2月等。

2.3.2.人工上传方式

在任何时间点,用户可通过按物联网表具中的功能按钮,使表具上传实时数据,并获取相关命令。

2.4.数据上传错峰

由于网络环境和基站容量限制,表具支持上报错峰设置,可设置随机错峰、编号错峰等,增加网络适应能力,并结合实际运用经验,不同地域网络参数可能发生改变,并可支持设置相关的参数来适应当地网络环境功能。

2.5.远程升级

当物联网表需求发生改变时,可通过远程升级服务器对主板功能进行升级,满足不同的适应需求。

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4.8V,每秒检测一次,连续检测2次。

二级电压检测点为4.2V,每秒检测一次,连续检测5次。

截止电压检测点为2.5V,每秒检测一次,连续检测2次。

3.2.2.运行参数

默认不限购,提示10m³/元,报警0m³/元,透支0m³/元,各项参数可进行软件配置。

3.2.3.干预开阀

阀门打开需要人为干预打开。

不需要人为干预,满足条件即可打开。

3.2.4.基表故障参数

默认按照20天、2天、2天、2天设定,可后期更改。

3.2.5.脉冲传感器故障检测

默认单脉冲产生次数为30次,间隔为60秒。

3.2.6.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。

3.2.7.液晶显示方式

非常显,触发显示方式。

常显,低电压时触发显示方式。

常显,低电压时依然常显。

3.2.8.联网供电方式

主电6V供电,备电不支持联网。

主电6V供电,备电支持联网。

主电3.6V供电。

3.2.9.主板供电方式

仅需外电有电就开阀。

仅需锂电池有电就开阀。

外置电池、锂电池任一有电即开阀。

外置电池、锂电池两者均有电才开阀。

3.2.10.上电时间

为了给超级电容充满电,默认上电时间为5秒。

3.2.11.阀门参数

无阀门。

两线制阀门,开阀时间1500ms,关阀时间1000ms。

四线制阀门,最大开阀时间2000ms,开阀到位检测,关阀时间1000ms。

两线制阀门,堵转电流检测,堵转到位电流90mA,开阀时间2000ms,关阀时间2000ms。

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.提示功能

按“查询”键可显示表中当前表中剩余量;

当主电源电池电压不足时,显示“换电池”;

当剩余量小于5m3/元(此值可设定)后,每用0.1m3,蜂鸣五声,按“查询”时显示“请缴费”;

当剩余量达到设定值时,将关闭控制阀提示,用户按“查询”键或反插卡可打开阀门继续使用;

当剩余量为0时,关闭阀门,停止使用,按“查询”时显示“请速缴费”。

4.1.3.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。

4.1.4.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。

4.1.5.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

4.1.6.过流量检测

当两次有效脉冲的时间间隔小于设置值,即判断为“过流量”,同时关闭控制阀,此功能默认关闭,需软件设置打开,发生“过流量”保护关阀时需取出电池,然后在安装上去来解除报警。故障提示代码“E-11”。

4.1.7.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)

4.1.8.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

4.1.9.阶梯计费

阶梯气价是指居民每年或每月超过天然气基本消费量后,执行高气价。

2014年2月14日,经过数次讨论修改,《关于实施居民生活用气阶梯气价的指导意见》已完成并上报至国务院。

2014年3月21日,国家发改委公布意见,要求2015年底前所有已通气城市建立起居民生活用气阶梯价格制度。阶梯气价分为三档,各档气价实行超额累进加价,第一档气量应覆盖80%的家庭。无论是后付费模式还是预付费模式,阶梯气价的最基础数据都是一定周期内用户的累计使用量。阶梯气价对燃气用户用气信息的及时、准确获取,提出了更高要求,可以预测,具有远程数据抄读功能的燃气表将会占有越来越重要的位置。

可设置 4 阶阶梯气价;

可实时调价,也可定时调整阶梯价格;

阶梯气价周期灵活可设置。(按每月、双月、每季、每半年、每年等)

可设置任一月中的任一天为结算日。

4.1.10.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。

4.1.11.低于提示量报警

当预付费模式时,低于设定的提示参数时有如下方式可选:

液晶提示,液晶提示“请缴费”字样;

液晶提示,液晶提示“请缴费”字样;

4.1.12.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。

4.1.13.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);

实时价格(表具当前执行单价);

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.干预保护开阀[软件功能]

从安全角度考虑,表具所有的开阀操作必须有人为参与,不可自动开阀,可通过按键或反插卡进行激活开阀。

4.2.3.上电动作开阀[软件功能]

当定义有干预开阀时,可通过更换电池动作方式实现人为参与激活开阀。

4.2.4.基表故障检测[软件功能]

由于脉冲信号取自于基表计数器,当基表发生故障停止工作后,表具将取不到脉冲信号,这样用户就可能长期使用而无从计量,给管理部门带来损失。

本产品可以监控基表的工况。当基表发生故障或其他原因(如用户出外旅行,确实没有使用),控制器在一段时间内(M天,可设置)没有采集到脉冲信号,即警告性关阀,用户按功能键后,可恢复;接下来控制器将继续检测是否有脉冲信号,一段时间(N天,可设置)会关一次控制阀,如果连续三次开启控制阀而仍然没有采集到脉冲信号,可判定基表已发生故障,表具将关阀等待检修。从基表发生故障到被准确判定采取措施,最长时间为 M+3*N 天,可保证管理部门的利益不受到损害。

故障提示代码“E-9”,解除方法:手持抄表器或集中器发送开阀命令。

基表坏判断流程 可能原因 备 注
正常使用。

1、基表/脉冲发生器坏;

2、电子计数部分故障;

3、未使用;

保护性关阀。
外界触发后打开阀门。 进行下一次判断。

1、用户触发开阀后两天内有使用;

2、用户触发开阀后两天内仍无计数脉冲;

计时器清零。

保护性关阀。

1、基表/脉冲发生器坏;

2、电子计数部分故障;

3、误判(M+3*N天内未用到0.1m3)。

更换表具。

更换主板。

用抄表器打开阀门,计时器清零。

4.2.5.脉冲传感器故障检测[软件功能]

本方案采用双通道脉冲采样,当任一个传感器出现故障。检测到另一个传感器连续工作动作超过设定次数(默认 30 次),即判断脉冲传感器出现故障,立即关闭控制阀。为了降低误判概率,结合流量时间,间隔至少为60秒。故障提示代码“E-10”,排除故障后用手持机或集中器发送开阀命令解除。

4.2.6.读卡显示编号[软件功能]

为了便于生产过程中核对表具编号,当IC卡中指令数量为5条或6条时主动显示表具编号。

4.2.7.读卡显示购入[软件功能]

为了便于生产过程中核对表具编号,当IC卡中指令数量为5条或6条时主动显示表具编号。

4.2.8.最小脉冲时间间隔[软件功能]

两个计量脉冲之间的最小间隔时间,主要用于型式试验测试强磁不计数功能,正常主板不使用此参数,计数间隔为零。

4.2.9.累计用量超限 [软件功能]

当基表用量达到设定限值时永久性关闭阀门,停止使用,必须联系管理部门更换表具,相关故障代码为“E-18”。

4.2.10.阀门故障提示 [软件功能]

出现阀门故障后蜂鸣器一直鸣叫提示。

4.2.11.显示内外电电压 [软件功能]

按键查询,进入第二功能屏可查看内外电电压。

4.2.12.IC卡口保护 [软件功能]

当IC卡口插入铁片时阀门主动关闭,插入非铁片时解除。

4.2.13.一级电压提示 [软件功能]

电池电压达到一级电压时,说明电池即将用尽,用户需尽快更换电池,防止低于二级电压时阀门关闭停止使用,一级电压提示有如下方式可选:

液晶提示,低于一级电压时液晶显示“换电池”。

关阀提示,低于一级电压时关闭一次阀门,按键或插卡可打开阀门。

蜂鸣提示,低于一级电压时每用一个计量单位蜂鸣提示一次。

4.2.14.主板故障提示 [软件功能]

当检测到主板故障,如存储器故障、无线模块等故障时关闭阀门。

4.2.15.异常流量检测 [软件功能]

4.2.15.1.异常流量项脉冲间隔区间

5组异常流量项,其脉冲间隔区间由小到大(即流量由大到小)排列,各区间之间连续,且第1、5区间为开区间。第1区间无下限,代表超大切断流量;第5区间无上限,代表超小切断流量。

4.2.15.2.异常流量确定

智能表应对任意一个脉冲与前次脉冲的间隔时间记录。

当脉冲间隔数值在MinDPi与MaxDPi之间,且偏差不超过脉冲间隔允差DDPi时,开始连续记录脉冲数,当连续记录到的脉冲数达到PNi个,或持续时长达到Ti分时,确认出现异常流量i。当脉冲间隔超出允许偏差时,重新开始记录。

脉冲间隔偏差按以下方法计算:

式中:Δ——脉冲间隔偏差;

DPn——当前脉冲间隔,单位(秒/个);

DP0——首个符合条件的脉冲间隔,单位(秒/个)。

4.2.15.3.异常流量切断

当达到异常流量时,且满足脉冲持续个数及切断时间(即按5.3确定了异常流量),内置阀门应立即关闭。

智能表应有液晶显示功能,液晶应按以下代码进行提示:

E-11

4.2.15.4.异常流量切断的解除

当发生异常流量,智能表执行了内置阀门切断后,用户可通过长按查询的方式,燃气表自行打开内置阀门、解除报警。

4.2.16.低电压不计量 [软件功能]

当电池电压欠压时不进行计量。

4.2.17.LED提示功能[硬件功能]

无线远传表通过 LED指示灯与用户交互,可在不同状态下,对用户进行提示。

无线模块工作时,LED灯自动点亮。

用户按功能钮时,LED短亮一次表示阀门处于打开状态,LED长亮一次表示阀门处于判断状态;

检测到违规操作或表具故障时,且根据不同情况,在上条指示完阀门状态2秒后,通过LED闪烁,指示故障类型:

LED闪烁 1 次:电池电压不足。

LED闪烁 2 次:表具收到了关阀指令。

LED闪烁 3 次:有强磁干扰。

LED闪烁 4 次:脉冲传感器故障。

LED闪烁 5 次:基表故障。

4.2.18.拆卸检测[硬件功能]

检测到表具外壳被拆卸,或为震动开关时检测到表具切斜移动,阀门主动关闭,关闭后用户不能自行打开,相关故障代码为“E-13”。为了降低震动等误判断,每秒检测一次,连续检测到3次被拆除信号时判断为拆卸。

4.2.19.泄漏报警检测[硬件功能]

检测到燃气泄漏报警时,阀门主动关闭,当排除隐患后需拔出电池,然后重新给表具上电来判断报警是否解除,相关故障代码为“E-12”。

4.2.20.红外通讯接口[硬件功能]

具有红外通信功能,可通过红外对表具进行控制与设置。

4.2.21.阀门开到位检测[硬件功能]

具有红外通信功能,可通过红外对表具进行控制与设置。

阀门检测开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。

4.2.22.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。