在(zai)邁向(xiang)萬物互(hu)聯(lian)與(yu)精(jing)細化(hua)管理的(de)進(jin)程(cheng)中(zhong)，傳(chuan)統(tong)的有(you)線(xian)計量儀(yi)表因(yin)其(qi)布(bu)線(xian)復(fu)雜(za)、維護(hu)困(kun)難、數據(ju)獲取(qu)滯後等(deng)局(ju)限性(xing)，已難以滿(man)足現代(dai)工業(ye)生(sheng)產(chan)和城(cheng)市運(yun)維的(de)敏捷(jie)性(xing)需(xu)求(qiu)。無(wu)線(xian)計量儀(yi)表應(ying)運(yun)而生，正(zheng)逐漸成為能(neng)源(yuan)管理、環(huan)境監(jian)測、流(liu)程(cheng)控制(zhi)等領域的智(zhi)能(neng)化感知(zhi)終端。它(ta)們以其(qi)部(bu)署便捷(jie)、數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)高(gao)效、實(shi)時(shi)性強(qiang)等(deng)優(you)勢，成為連接(jie)物理世(shi)界與數(shu)字(zi)系統(tong)的關鍵橋梁(liang)。
壹、核(he)心(xin)定義與(yu)系統(tong)構成
無線(xian)計量儀(yi)表是(shi)壹(yi)種(zhong)集(ji)成了傳(chuan)感測量技(ji)術、微(wei)處理器(qi)控制(zhi)技術和無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)技(ji)術的(de)智(zhi)能(neng)終端設(she)備。其(qi)核(he)心(xin)使(shi)命(ming)是(shi)準(zhun)確(que)測量各(ge)種(zhong)物理量(liang)(如電(dian)量(liang)、水(shui)量(liang)、氣量、熱量(liang)、壓(ya)力(li)、溫(wen)濕度、流(liu)量(liang)等)，並通(tong)過無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)方(fang)式，將測量數(shu)據(ju)及設(she)備狀態(tai)信(xin)息實(shi)時(shi)或定時(shi)傳輸(shu)至遠程(cheng)數(shu)據(ju)中心(xin)或(huo)管理系統(tong)，實(shi)現計量數據(ju)的(de)自動(dong)化(hua)采(cai)集與遠程(cheng)管理。
壹(yi)個(ge)典(dian)型的無(wu)線(xian)計量系統(tong)通常(chang)包含以(yi)下核(he)心(xin)組(zu)件(jian)：
1.傳(chuan)感與(yu)計量單元(yuan)： 儀(yi)表的根基(ji)，包含特(te)定的傳(chuan)感器(qi)和精(jing)密的信(xin)號(hao)處理電(dian)路(lu)。負責(ze)準(zhun)確(que)捕獲被(bei)測物理量(liang)的原始信(xin)息(模(mo)擬信(xin)號(hao))，並將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)為可由(you)微處理器(qi)處理的(de)標準(zhun)化數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)。
2.數據處理核(he)心(xin)： 儀(yi)表的大腦(nao)。運(yun)行嵌入(ru)式(shi)軟(ruan)件(jian)，負責(ze)控制(zhi)整個(ge)儀(yi)表的工作(zuo)流(liu)程(cheng)：初(chu)始化(hua)傳(chuan)感器(qi)、進(jin)行數據(ju)采(cai)集、執行復(fu)雜(za)的計算、數(shu)據(ju)處理(濾(lv)波、校(xiao)準(zhun))、結(jie)果(guo)存(cun)儲、管理本(ben)地(di)顯示(如(ru)有(you))、以(yi)及與(yu)通信(xin)模(mo)塊(kuai)交互(hu)。
3.無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)模(mo)塊(kuai)： 儀(yi)表數據流(liu)動(dong)的管道。依(yi)據不同的(de)應(ying)用場(chang)景、傳輸距離、功(gong)耗要(yao)求(qiu)和數(shu)據(ju)速率，集成特(te)定類(lei)型(xing)的(de)無線(xian)通(tong)信(xin)芯(xin)片和協議棧：
•低(di)功(gong)耗(hao)廣(guang)域網： 特(te)點(dian)是(shi)超(chao)低(di)功(gong)耗(hao)、超(chao)遠距離(城(cheng)市覆蓋(gai)可達(da)數(shu)公(gong)裏(li)至十(shi)數(shu)公(gong)裏(li))、強(qiang)穿(chuan)透(tou)性(xing)、連接海量終端，適(shi)合(he)對實(shi)時(shi)性要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)但(dan)覆蓋(gai)範圍(wei)廣(guang)、終端分(fen)布(bu)分(fen)散(san)的(de)計量場景。
•蜂窩移動(dong)通(tong)信(xin)： 提(ti)供較高(gao)數(shu)據速率和可(ke)靠(kao)連(lian)接，適用於移動(dong)設(she)備或(huo)需(xu)要實(shi)時(shi)性較(jiao)高(gao)的(de)工業(ye)應(ying)用。
•短距離無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)：適(shi)用於建(jian)築(zhu)物內(nei)部(bu)、園區、工(gong)廠(chang)車間等(deng)小範(fan)圍(wei)、需(xu)要(yao)自組(zu)網或密(mi)集部(bu)署的場景(如樓宇(yu)能(neng)源(yuan)分(fen)項計量、設(she)備運(yun)行監(jian)控)。
4.能(neng)源(yuan)供應(ying)系統(tong)： 儀(yi)表的動力(li)源(yuan)，主要有(you)兩種方式(shi)：
•電(dian)池(chi)供電(dian)(內(nei)置(zhi)/外(wai)置)： 是(shi)LPWAN儀(yi)表的普遍選擇(ze)。通過選用高(gao)容(rong)量鋰電(dian)池(chi)或(huo)堿(jian)性電(dian)池(chi)，配(pei)合(he)深度優(you)化的(de)低(di)功(gong)耗(hao)設(she)計(休眠機(ji)制(zhi)、通(tong)信(xin)喚(huan)醒)，可實(shi)現數(shu)年甚至十(shi)年以上使(shi)用壽命(ming)。是(shi)難以取(qu)電(dian)或(huo)布(bu)線(xian)困(kun)難場景的理想選擇(ze)。
•外部(bu)電(dian)源(yuan)供電(dian)： 通(tong)過市電(dian)或(huo)專(zhuan)用電(dian)源(yuan)線(xian)提(ti)供穩定電(dian)能(neng)，常(chang)見(jian)於對功耗(hao)不(bu)敏感、需(xu)要持續(xu)通信(xin)或(huo)高(gao)功(gong)率執行器的(de)工業(ye)儀(yi)表(如大型(xing)電(dian)機(ji)監(jian)控)。
5.本(ben)地(di)人(ren)機(ji)界面(可選)： 部(bu)分(fen)儀(yi)表配備顯示屏(ping)(如LCD)和按(an)鈕，便於現場(chang)查(zha)看(kan)實(shi)時(shi)讀(du)數(shu)、歷史數據(ju)、設(she)備狀態(tai)、參數配(pei)置。在(zai)純(chun)遠(yuan)程(cheng)監(jian)控場(chang)景中，此部(bu)分(fen)可(ke)能(neng)簡(jian)化或(huo)省(sheng)略(lve)。
6.安全(quan)存(cun)儲單元(yuan)： 內置(zhi)存(cun)儲器用於緩(huan)存(cun)歷史計量數據(ju)、事(shi)件(jian)記錄(lu)(如(ru)開蓋(gai)告警(jing)、異常(chang)波(bo)動)、配置參數等(deng)，確(que)保(bao)在(zai)通信(xin)中(zhong)斷(duan)或(huo)設(she)備重(zhong)啟時(shi)數據(ju)不丟失(shi)。
二、工作原理簡(jian)述(shu)
1.感知(zhi)測量： 傳(chuan)感單元(yuan)持續(xu)或定時(shi)感知(zhi)目標(biao)物理量(liang)，將其(qi)轉(zhuan)換(huan)為原始電(dian)信(xin)號(hao)。
2.信(xin)號(hao)調(tiao)理與(yu)轉換(huan)： 信(xin)號(hao)處理電(dian)路(lu)對原始信(xin)號(hao)進(jin)行放(fang)大(da)、濾(lv)波(bo)、消(xiao)除幹擾(rao)，然後由(you)模數轉換(huan)器將(jiang)其(qi)轉(zhuan)化(hua)為數字(zi)量。
3.數(shu)據處理與(yu)計算： 微(wei)處理器(qi)讀(du)取(qu)數(shu)字(zi)量，根據(ju)預置(zhi)的(de)算法(fa)和校(xiao)準(zhun)參數進(jin)行必要(yao)的(de)運(yun)算、單位(wei)換(huan)算、數(shu)據(ju)格(ge)式(shi)標(biao)準(zhun)化。
4.數(shu)據暫(zan)存(cun)： 處理結(jie)果(guo)通常(chang)會(hui)在(zai)本地(di)存(cun)儲器中(zhong)暫存(cun)。
5.無線(xian)傳(chuan)輸(shu)：
•儀(yi)表根據(ju)預設(she)的(de)定時(shi)策略(lve)、事件(jian)觸(chu)發(fa)、或(huo)響(xiang)應(ying)遠程(cheng)系統(tong)的主動輪(lun)詢命(ming)令。
•微處理器(qi)喚醒無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)模(mo)塊(kuai)，將(jiang)待(dai)發(fa)數(shu)據(ju)(測量值(zhi)、狀態(tai)信(xin)息、告(gao)警(jing)信(xin)息)打(da)包成符(fu)合通信(xin)協議的(de)數據(ju)幀(zhen)。
•通信(xin)模(mo)塊(kuai)通(tong)過其(qi)集(ji)成的射(she)頻(pin)天(tian)線(xian)，將(jiang)數(shu)據(ju)幀(zhen)通過相(xiang)應(ying)的無線(xian)信(xin)道發(fa)送(song)出去。
6.網絡傳(chuan)輸與(yu)匯(hui)聚： 發(fa)送(song)的(de)無(wu)線(xian)信(xin)號(hao)被(bei)附(fu)近的基(ji)礎(chu)設(she)施節點(dian)接(jie)收：
•對於LPWAN系統(tong)：信(xin)號(hao)由(you)網關接(jie)收並解(jie)調(tiao)，再通過網關的(de)以太(tai)網/蜂窩(wo)回(hui)傳(chuan)到核(he)心(xin)網和應(ying)用服務(wu)器。
•對於Zigbee/Wi-Fi等：數(shu)據(ju)通(tong)常(chang)直接或通過路(lu)由(you)節點(dian)上傳(chuan)至本地(di)的集(ji)中(zhong)器/邊(bian)緣(yuan)網關或(huo)雲端(duan)。
7.遠(yuan)程(cheng)平臺(tai)處理與(yu)應(ying)用： 數(shu)據(ju)最終到達(da)雲(yun)平臺(tai)或本(ben)地(di)管理軟(ruan)件(jian)，進(jin)行解析、存(cun)儲、分(fen)析、展(zhan)示(shi)。用戶(hu)可(ke)通過電(dian)腦(nao)或手(shou)機(ji)App查(zha)看(kan)實(shi)時(shi)數據(ju)、歷史曲線(xian)、生(sheng)成報(bao)表、接收告(gao)警(jing)、進(jin)行計費(fei)結(jie)算或(huo)能(neng)耗分(fen)析。系統(tong)也(ye)能(neng)向(xiang)儀(yi)表下發(fa)指(zhi)令，進(jin)行參數設(she)置(zhi)或遠程(cheng)控制(zhi)。
三(san)、無(wu)線(xian)計量儀(yi)表顯著(zhu)優(you)勢特(te)點(dian)
1.部(bu)署便捷(jie)性(xing)與(yu)靈活(huo)性(xing)：
•免除布(bu)線(xian)困(kun)擾(rao)： 無(wu)需敷(fu)設(she)復(fu)雜(za)的電(dian)源(yuan)線(xian)及(ji)通(tong)信(xin)線(xian)纜(lan)，尤其(qi)適(shi)用於老舊(jiu)設(she)施改(gai)造(zao)、安裝(zhuang)位(wei)置(zhi)受(shou)限(如(ru)管道井、高(gao)空、野外)、旋轉(zhuan)或(huo)移(yi)動設(she)備等(deng)場(chang)景。
•快速安裝(zhuang)開通(tong)： 顯著(zhu)縮(suo)短施工周(zhou)期和成本。儀(yi)表即(ji)裝(zhuang)即(ji)用，通(tong)過無(wu)線(xian)方(fang)式(shi)快(kuai)速接入(ru)網絡。
•位(wei)置(zhi)靈活(huo)： 可(ke)根據(ju)最佳(jia)測量位(wei)置(zhi)自由(you)安裝(zhuang)儀(yi)表，不受布(bu)線(xian)束縛。
2.維(wei)護(hu)效率提(ti)升與(yu)成本下降(jiang)：
•遠(yuan)程(cheng)運(yun)維： 故障診(zhen)斷(duan)、軟(ruan)件(jian)升(sheng)級(ji)、參數調(tiao)整、數(shu)據核(he)對等工(gong)作(zuo)均可遠程(cheng)完成，極(ji)大(da)減(jian)少(shao)現場(chang)人(ren)工巡檢(jian)頻(pin)率和成本。
•狀態(tai)可(ke)監(jian)： 儀(yi)表自身(shen)狀態(tai)可(ke)上報(bao)，便於預測性維(wei)護(hu)。
3.高(gao)頻(pin)數據(ju)采(cai)集與實(shi)時(shi)性增(zeng)強(qiang)：
•超(chao)越(yue)人(ren)工抄(chao)表： 自動(dong)高(gao)頻(pin)次(ci)采(cai)集，獲取連續、豐(feng)富的計量數據(ju)流(liu)。
•近實(shi)時(shi)監(jian)控： 數(shu)據可(ke)快速傳輸(shu)到(dao)後(hou)臺(tai)，實(shi)現對運(yun)行狀況(kuang)近乎(hu)實(shi)時(shi)的掌握、快速發(fa)現異常(chang)(如(ru)泄(xie)漏、過載(zai))。
4.數(shu)據(ju)價(jia)值(zhi)深度挖(wa)掘(jue)：
•精(jing)細化(hua)管理基(ji)礎(chu)： 高(gao)頻(pin)、連續(xu)的(de)計量數據(ju)是(shi)進(jin)行能(neng)效分(fen)析、負荷(he)預測、故障診(zhen)斷(duan)、需(xu)求(qiu)側管理、精(jing)細化(hua)計費(fei)的前(qian)提(ti)條(tiao)件(jian)。
•支持大(da)數據分(fen)析： 海量計量數據(ju)匯(hui)入(ru)平臺(tai)，為優(you)化決(jue)策(ce)、預(yu)防性維護(hu)提(ti)供堅實(shi)的數(shu)據(ju)支撐(cheng)。
5.規(gui)模(mo)化與易(yi)擴(kuo)展(zhan)性(xing)：
•海量連(lian)接： 尤其(qi)LPWAN技(ji)術，單網關可(ke)接入(ru)數(shu)千(qian)至上萬個(ge)終端，易(yi)於構建(jian)覆蓋(gai)城市級(ji)的(de)大(da)型(xing)物聯(lian)網。
•易於擴(kuo)展(zhan)： 新(xin)增(zeng)儀(yi)表只(zhi)需滿(man)足通(tong)信(xin)協議和網絡覆蓋(gai)，即(ji)可(ke)方(fang)便地(di)接入(ru)現有(you)系統(tong)，實(shi)現系統(tong)平滑擴(kuo)容(rong)。
四、典型應(ying)用場(chang)景
1.智(zhi)慧(hui)公(gong)用事(shi)業(ye)：
•智(zhi)能(neng)抄(chao)表： 水(shui)表、電(dian)表、燃氣表、熱力表的自動(dong)化(hua)抄(chao)讀(du)。
•管網監(jian)測： 供水(shui)管網壓力(li)、流(liu)量(liang)監(jian)測；燃氣(qi)管網壓力(li)、泄(xie)漏監(jian)測。
2.工業(ye)物聯(lian)網與智(zhi)能(neng)制造(zao)：
•設(she)備運(yun)行監(jian)控： 監(jian)測大型(xing)電(dian)機(ji)、泵、風(feng)機(ji)等(deng)關(guan)鍵設(she)備的(de)電(dian)流(liu)、電(dian)壓(ya)、功(gong)率、溫(wen)度、振動，實(shi)現狀態(tai)監(jian)測與預(yu)測性維(wei)護(hu)。
•能(neng)源(yuan)管理： 廠(chang)區、車間、重(zhong)點(dian)設(she)備的(de)能(neng)源(yuan)(電(dian)、水(shui)、氣(qi)、汽(qi))分(fen)項計量與實(shi)時(shi)監(jian)測。
•過程(cheng)參數監(jian)測： 反應(ying)釜溫(wen)度壓力、儲罐(guan)液(ye)位(wei)/儲(chu)量(liang)監(jian)測等。
3.智(zhi)能(neng)建(jian)築(zhu)與樓宇(yu)自動(dong)化(hua)：
•樓宇(yu)能(neng)源(yuan)計量： 對各樓層(ceng)、租戶(hu)、空調(tiao)系統(tong)、照明系統(tong)進(jin)行能(neng)耗精(jing)細計量。
•環境(jing)監(jian)控： 室(shi)內溫(wen)濕度、CO₂濃度、光照度監(jian)測。
4.智(zhi)慧(hui)城市管理：
•智(zhi)慧(hui)路(lu)燈監(jian)控： 單燈控制(zhi)及能(neng)耗監(jian)測。
•環境(jing)質量(liang)監(jian)測網格(ge)化(hua)： 部(bu)署無線(xian)計量儀(yi)表監(jian)測空氣顆粒(li)物、噪(zao)聲(sheng)等。
•智(zhi)慧(hui)灌溉(gai)： 農(nong)業(ye)土(tu)壤(rang)墑(shang)情監(jian)測與控制(zhi)。
5.其(qi)他(ta)專(zhuan)業(ye)領域：
•冷(leng)鏈(lian)物流(liu)： 貨(huo)物在(zai)途溫(wen)濕度跟蹤監(jian)控。
•智(zhi)慧(hui)消(xiao)防： 消(xiao)防水(shui)箱(xiang)水(shui)位(wei)、管網壓力(li)無線(xian)監(jian)測。
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