CN101788314A - 无线式自来水表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线式自来水表，包括水表基座、水表面盖、水表累计指示装置、阀门驱动电机、进水阀门、水表指针驱动专用步进电机、水量采样单元、ZigBee天线、基于SoC ZigBee无线通信技术的无线单片机和电池组，所述水表基座上包括进水管、出水管，其进水管侧安装有电池盒，出水管侧安装有进水阀门，水表累计指示装置包含水表刻度面板、水表指针驱动专用步进电机、指示灯，其特征在于，所述的水表全部采用刻度指针的方式指示累计的用水量，水表内置无线单片机和一个可控的进水阀门，是一个基于ZigBee无线通信技术的无线水表节点，可实现小区内的自动抄表和用水管理。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线式自来水表，尤其涉及一款采用ZigBee网络实现自动抄表和用水管理的无线式自来水表。
背景技术
目前，自来水的用水管理有两种方案：一种是采用人工抄表管理的机械式水表，这类水表主要由水表基座、多组传动齿轮和多个指针组成的计量机构，还包括一个用于累计用水量的机械数字字轮组，每个月的用水量需要专人上门抄表读数，如果用户不在家，则需多次上门查询，导致工作效率低下，给用水管理带来诸多不便。另一种是采用预交费的IC卡式水表，即先交费后用水的管理模式，这类水表为了实现与用户的IC卡进行交互操作，需要一个能够显示预存水量的液晶屏和相应的IC卡通信接口电路，从而导致IC卡式水表的成本居高不下，同时IC卡要经常充值，也给用户带来诸多不便。
发明内容
技术问题：
总的来说，无论是传统的机械式水表还是IC卡式水表，基本上都采用如下的设计模式：包括一个指示当前用水量的由多组传动齿轮和多个指针组成的机械表盘，另外包括一个用于累加统计用水量的机械数字字轮组，或是由一块LCD液晶屏显示统计用水量，对于IC卡式水表，还需要一个能够显示预存水量的交互液晶屏、一个IC卡座及相关电路支持，并且需要在水表的基座上套接一个塑料机壳，以便于装下这些部件。因此，这两类水表存在如下的问题：
一、无论是机械式水表或是IC卡式自来水表的实时计量部分是按照十进制的方法由多个机械表盘组成，而每一个机械表盘又是由多组传动齿轮构成，导致水表内部结构复杂，故障率高，可靠性较低。
二、机械式自来水表需要人工抄表，读表的可视性较差，对于IC卡式水表采用刷卡消费，但自动化程度较低。
三、传统的机械式自来水表在结构上一成不变，在控制方式上，几乎是不可控的，除开IC卡式水表外，机械水表没有可控的进水阀门，因此容易造成一些单位和个人拖欠水费的事情发生，造成小区用水管理严重滞后。
技术方案：
本发明的目的是提出了一种结构上基于ZigBee无线通信技术且与众不同的实时、高效和可靠的无线式自来水表，其技术方案如下：
一种无线式自来水表，包括水表基座、水表面盖、水表累计指示装置、进水阀门、水表指针驱动专用步进电机、水量采样单元、电池盒座及电池盒盖、ZigBee天线、基于SoC ZigBee的无线单片机，所述水表基座上还包含进水管、出水管，水表累计指示装置包含水表刻度面板、水表指针驱动专用步进电机、指示灯，所述的水表采用四个数字刻度盘加指针的方式指示累计的用水量，水表内置ZigBee天线和无线单片机，电池组和一个可控的进水阀门。
所述的无线式自来水表，其无线单片机内部集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的射频无线电收发装置的单片机，其I/O引脚分别与四个水表指针驱动专用步进电机直接相连，无线单片机的I/O引脚还分别与水量采样单元、阀门驱动电机、电池检测电路相连，无线单片机内置了全部ZigBee协议栈，所述的无线式自来水表是一个已建立ZigBee网络操作的无线节点。
所述的无线式自来水表，一个圆形的水表刻度面板上刻有四条刻度圆盘，分别是：
一个倍率为×0.0001的小刻度盘，其刻度盘的中心处安装有一个对应的刻度短指针，小刻度盘上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表0.0001m3，短指针转一圈，代表消耗水量0.0001×100＝0.01m3；
一个倍率为×0.01的小刻度盘，其刻度盘的中心处安装有一个对应的刻度短指针，小刻度盘上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表0.01m3，短指针每转一圈，代表消耗水量0.01×100＝1.0m3；
一个倍率为×1的小刻度盘，其刻度盘的中心处安装有一个对应的刻度短指针，小刻度盘上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表1m3，短指针每转一圈，代表消耗水量1×100＝100.0m3；
一个倍率为×100的大刻度盘，位于水表刻度面板上的最外圈，其水表刻度面板的中心处安装有对应的刻度长指针，大刻度盘上从0、20、40、60、80、100、120、140、160、180，共有10大格，每一大格又分为20小格，每一小格代表100m3，长指针每转一大格，代表消耗水量20×100＝2000.0m3。
所述的无线式自来水表，在水表面板的背面，对应每一个刻度盘的中心位置处都安装有一个水表指针驱动专用步进电机，四个水表指针驱动专用步进电机的转动轴同时从水表面板的背后穿过各自的刻度盘中心孔，分别与各自的指针套接。
所述的无线式自来水表，其水表面板上有一根浅隐埋安装的ZigBee天线。
所述的无线式自来水表，其水表面板上有一个指示灯，通信时，指示灯将闪烁。
所述的无线式自来水表，其水表基座上包括进水管和出水管，在进水管的一侧安装有一个长方形的电池盒座，电池盒座上套接一个长方形的电池盒盖，在出水管的一侧向上拉伸有一个圆形的进水阀门座，进水阀门座的开口处的外壁有外螺纹，进水阀门盖的开口处的内壁有内螺纹，两者通过螺纹连接，将阀门驱动电机密封在进水阀门座中。
所述的无线式自来水表，其水表基座上靠近电池盒座的一侧有一个电源连线管道，电池盒座的电源线由电源连线管道引出，进水阀门座的一侧有一个控制连线管道，进水阀的控制线由控制连线管道引出，两根管道分别与水表基座上延伸至中央顶部的圆柱体相通。
所述的无线式自来水表，其圆形的水表面盖内侧壁有内螺纹，水表基座上延伸至中央顶部的圆柱体的外壁有外螺纹，两者通过螺纹相连，将水表累计指示装置、水表指针驱动专用步进电机、ZigBee天线、无线单片机、水量采样单元、无线单片机封装在水表基座延伸至中央顶部的空心圆柱体中。
技术效果：
相对于现有自来水表，本发明具有如下有益技术效果：
一、本发明完全改变了传统机械水表或IC卡水表的基本结构和控制方式，采用了全数字式的控制模式，水表内置四个水表专用微型步进电机，可同时驱动四根转动轴、从而去掉了繁冗的多级传动齿轮组和用于累加操作的机械数字字轮组，将机械表盘转换为数字表盘，有效地提高了指示驱动机构的可靠性。
二、本发明水表采用的微型步进电机是一种小巧的水表指针专用步进电机，不但能使指针平滑移动而且可精密定位，无累积误差，指示精度高，使用寿命长。
三、本发明水表采用步进电机驱动指针的方式显示累计用水量，去除了传统水表中的机械数字字轮组或者LCD屏幕，其水量的指示方式清晰方便，一目了然。
四、本发明水表采用ZigBee的无线通信技术，刻度表盘上内置浅隐埋天线和一个基于SoC ZigBee的无线单片机，使所述的水表是一个已建立ZigBee协议的完整网络操作的无线节点，由此组成一个小区ZigBee完整网络功能的水表无线管理节点模块，可实现小区内的自动组网、自动抄表、自动统计和自动控制，其用电省，效率高。
五、本发明水表与传统的机械水表的最大不同的是，机械水表没有可控的进水阀门，因此容易造成一些单位和个人拖欠水费的事情发生，本发明水表具有可控的阀门，因此一旦出现用户多次或长期拖欠水费的事情发生时，小区的物业管理者可通过ZigBee无线网络控制关闭该水表，从而达到动态管理用水的目的，可以说，本发明提供了一种小区用水管理不用预交水费又能有效制止欠费的新模式。
六、本发明水表与IC卡式水表的不同之处是，IC卡式水表是采用先交费后用水的管理模式，本发明水表是先用水后交费的管理模式，因此更具人性化特征，用户不会因为IC卡要经常充值而困扰，所以更受用户欢迎。
附图说明
图1无线式自来水表正向外观图；
图2无线式自来水表反向外观图；
图3无线式自来水表正视图；
图4无线式自来水表侧视图；
图5无线式自来水表底视图；
图6无线式自来水表结构局部拉伸图；
图7无线式自来水表电原理框图。
标号说明：
1水表基座 2水表面盖
3进水管 4出水管
5进水阀门盖 6倍率为×100大刻度表盘
7倍率为×100刻度长指针 8倍率为×1刻度小表盘
9倍率为×1刻度短指针 10倍率为×0.01刻度小表盘
11倍率为×0.01刻度短指针 12倍率为×0.0001刻度小表盘
13倍率为×0.0001刻度短指针 14ZigBee天线
15电池盒座 16指示灯
17电池盒盖 18进水阀门座
19控制连线管道 20电源连线管道
21水表基座底部加强筋 22水表面盖挂耳
23水表基座挂耳 24水表基座外螺纹
25进水阀门座外螺纹
27电池组 28水量采样单元
29水表刻度面板 30水表指针驱动专用步进电机
31进水阀门 32阀门驱动电机
33无线单片机 34信号调理转换电路
35电池检测电路
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明包括水表基座1、水表面盖2、水表累计指示装置、进水阀门31、水表指针驱动专用步进电机30、水量采样单元28、电池盒座15及电池盒盖17、ZigBee天线14、基于SoC ZigBee的无线单片机33。所述水表基座1上还包含进水管3、出水管4，其进水管3和出水管4分置于水表基座1的两端，并与水表基座1自然过渡连为一体，水表基座1的底部有一个加强椭圆，椭圆圈内有一个菱形的加强筋框，用于加固水表基座。
在进水管3的一侧安装有一个长方形的电池盒座15，电池盒座15上套接一个长方形的电池盒盖17，在出水管4的一侧向上拉伸有一个圆形的进水阀门座18，进水阀门座18的开口处的外壁上有外螺纹25，进水阀门盖5的开口处的内壁有内螺纹，两者通过螺纹连接，将阀门驱动电机32密封在进水阀门座18中，阀门驱动电机32的转动轴再与安装在水表基座1上出水管4中的进水阀门31相接，因此无线单片机33通过阀门驱动电机32可直接控制进水阀门31。
水表累计指示装置包含水表刻度面板29、水表指针驱动专用步进电机30、指示灯16，本发明中，用水量的累计全部采用刻度指针的方式指示用水量，一个圆形的水表刻度面板29上刻有四条刻度圆盘，分别是：一个倍率为×0.0001的小刻度盘12，其刻度盘12的中心处安装有一个对应的刻度短指针13，小刻度盘12上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表0.0001m3，短指针13转一圈，代表消耗水量0.0001×100＝0.01m3；一个倍率为×0.01的小刻度盘10，其刻度盘10的中心处安装有一个对应的刻度短指针11，小刻度盘10上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表0.01m3，短指针11每转一圈，代表消耗水量0.01×100＝1.0m3；一个倍率为×1的小刻度盘8，其刻度盘8的中心处安装有一个对应的刻度短指针9，小刻度盘8上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表1m3，短指针9每转一圈，代表消耗水量1.0×100＝100.0m3；一个倍率为×100的大刻度盘6，位于水表刻度面板29上的最外圈，其水表刻度面板29的中心处安装有对应的刻度长指针7，大刻度盘6上的刻度分别为0、20、40、60、80、100、120、140、160、180，共有10大格，每一大格又分为20小格，每一小格代表100m3，长指针7每转一大格，代表消耗水量20×100＝2000.0m3。
本发明中，水表上的四个刻度盘与其对应的指针具有如下的关系：在水表面板29的背面，对应每一个刻度盘12、10、8、6的中心位置处都安装有一个水表指针驱动专用步进电机30，四个水表指针驱动专用步进电机30的转动轴同时从水表面板29的背后穿过对应刻度盘12、10、8、6中心的电机轴孔，分别与指针13、11、9、7套接。
本发明中，水表基座1上靠近电池盒座15的一侧有一个电源连线管道20，电池盒座15的电源线由电源连线管道20引出，进水阀门座18的一侧有一个控制连线管道19，进水阀的控制线由控制连线管道19引出，两根管道分别与水表基座1上延伸至中央顶部的圆柱体相通。
圆形的水表面盖2内侧壁有内螺纹，水表基座1上延伸至中央顶部的圆柱体的外壁有外螺纹，两者通过螺纹相连，并将水表累计指示装置、水表指针驱动专用步进电机30、ZigBee天线14、无线单片机33、水量采样单元、封装在水表基座1延伸至中央顶部的圆柱体中。本发明中，为了防止打开水表面盖2，可将一根加密铅封同时穿过水表面盖挂耳22和水表基座挂耳23。
为了保证系统最省，整体最优，本发明采用了与传统的无线通信不同的方案，即系统的核心控制部件不是由单片机与一个独立的通信控制模块组成。本发明中，核心控制部件是一款基于SoC ZigBee的无线单片机33，这是一款内部集成了符合IEEE802.15.4标准，且带2.4GHz的射频无线电收发装置的单片机，无需另加收发通信电路，由于2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，因此特别有利于无线水表的推广和生产成本的降低，其I/O引脚分别与四个水表指针驱动专用步进电机30直接相连，无线单片机33的I/O引脚还分别与水量采样单元28、阀门驱动电机32、电池检测电路35相连，无线单片机33的特点是，芯片内置了全部ZigBee协议栈代码，因此，所述的无线式自来水表实际上是一个已建立ZigBee协议的完整网络操作的无线节点。
安装无线式水表时，考虑ZigBee受周边环境的阻挡或屏蔽，信号的强度会影响通信质量，为了将周边环境对水表的无线通信的影响降到最低，水表面板29上安排有一根采用浅隐埋安装方式的ZigBee天线14，水表面板29上还有一个指示灯16，水表通信时，指示灯16将点亮。
本发明的电原理框图如图七，无线单片机33通过水表基座1中的水量采样单元28获取水流量信号，经信号调理转换电路34将水流量信号转换为电脉冲信号，再传递给无线单片机33，经计算转化为水表指针驱动专用步进电机的各个转动轴偏转所需的角位移量，从而带动各个指针在对应的刻度盘上指示实时用水状况，这时所指的刻度即用户累计的用水量。用户不用水时，水表的指针7、9、11、13分别停留在各自的刻度盘上的刻度位置处，无线单片机33处于休眠状态，当电池电压不足时，无线单片机33将控制阀门驱动电机32，自动关闭进水阀门31，指示灯16将闪烁。
本发明中，每个独立的无线水表被定义成ZigBee的一个精简功能设备RFD(Reduced Function Device)，小区的物业管理者所持的是全功能设备FFD(Full Function Device)，因此一个小区基于ZigBee网络的无线水表组成的星型拓扑结构是由一个FFD和若干个RFD组成，其中，FFD充当网络协调器功能，无线水表只与协调器通信，并可通过FFD接力传送方式，将网络扩展成其他拓扑结构。
本发明完全改变了传统自来水表的结构和控制方式，采用了全数字式的水表控制模式，水表内置四个水表专用微型步进电机，将机械表盘转换为数字表盘，其水量的指示方式清晰方便，一目了然，有效地提高了指示驱动机构的可靠性和使用寿命。本发明水表采用ZigBee的无线通信技术和一个基于SoC ZigBee的无线单片机，使所述的水表成为建立ZigBee协议的完整网络操作的无线节点，与上位计算机合作，可实现小区内的自动组网、自动抄表、自动统计和自动控制，其用电省，效率高。本发明水表具有可控的阀门，因此一旦出现用户多次或长期拖欠水费的事情发生时，小区的物业管理者可通过ZigBee无线网络控制关闭该水表，从而提供了一种小区用水管理不用预交水费又能有效制止欠费的新模式，是一款新型的高端无线式自来水表表型。
Claims (9)
1.一种无线式自来水表，包括水表基座(1)、水表面盖(2)、水表累计指示装置、进水阀门(31)、水表指针驱动专用步进电机(30)、水量采样单元(28)、电池盒座(15)及电池盒盖(17)、ZigBee天线(14)、基于SoCZigBee的无线单片机(33)，所述水表基座(1)上还包含进水管(3)、出水管(4)，水表累计指示装置包含水表刻度面板(29)、水表指针驱动专用步进电机(30)、指示灯(16)，其特征在于，所述的水表采用四个数字刻度盘加指针的方式指示累计的用水量，水表内置ZigBee天线(14)和无线单片机(33)，电池组(27)和一个可控的进水阀门(31)。
2.根据权利要求1所述的无线式自来水表，其特征在于，所述的无线单片机(33)是一款内部集成了IEEE802.15.4标准的2.4GHz的射频无线电收发装置的单片机，其I/O引脚分别与四个水表指针驱动专用步进电机(30)直接相连，无线单片机(33)的I/O引脚还分别与水量采样单元(28)、阀门驱动电机(32)和电池检测电路(35)相连。
3.根据权利要求1所述的无线式自来水表，其特征在于，一个圆形的水表刻度面板(29)上刻有四条刻度圆盘，分别是：
一个倍率为×0.0001的小刻度盘(12)，其刻度盘(12)的中心处安装有一个对应的刻度短指针(13)，小刻度盘(12)上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表0.0001m3，短指针(13)转一圈，代表消耗水量0.0001×100＝0.01m3；
一个倍率为×0.01的小刻度盘(10)，其刻度盘(10)的中心处安装有一个对应的刻度短指针(11)，小刻度盘(10)上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表0.01m3，短指针(11)每转一圈，代表消耗水量0.01×100＝1.0m3；
一个倍率为×1的小刻度盘(8)，其刻度盘(8)的中心处安装有一个对应的刻度短指针(9)，小刻度盘(8)上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表1m3，短指针(9)每转一圈，代表消耗水量1×100＝100.0m3；
一个倍率为×100的大刻度盘(6)，位于水表刻度面板(29)上的最外圈，其水表刻度面板(29)的中心处安装有对应的刻度长指针(7)，大刻度盘(6)上从0、20、40、60、80、100、120、140、160、180，共有10大格，每一大格又分为20小格，每一小格代表100m3，长指针(7)每转一大格，代表消耗水量20×100＝2000.0m3。
4.根据权利要求1或3所述的无线式自来水表，其特征在于，在水表面板(29)的背面，对应每一个刻度盘(12)(10)(8)(6)的中心位置处都安装有一个水表指针驱动专用步进电机(30)，四个水表指针驱动专用步进电机(30)的转动轴同时从水表面板(29)的背后穿过各自的刻度盘(12)(10)(8)(6)中心孔，分别与各自的指针(13)(11)(9)(7)套接。
5.根据权利要求1所述的无线式自来水表，其特征在于，水表面板(29)上有一根浅隐埋安装的ZigBee天线(14)。
6.根据权利要求1所述的无线式自来水表，其特征在于，水表面板(29)上有一个指示灯(16)，通信时，指示灯(16)将闪烁。
7.根据权利要求1所述的无线式自来水表，其特征在于，水表基座(1)上包括进水管(3)和出水管(4)，在进水管(3)的一侧安装有一个长方形的电池盒座(15)，电池盒座(15)上套接一个长方形的电池盒盖(17)，在出水管(4)的一侧向上拉伸有一个圆形的进水阀门座(18)，进水阀门座(18)的开口处的外壁有外螺纹(25)，进水阀门盖(5)的开口处的内壁有内螺纹，两者通过螺纹连接，将阀门驱动电机(32)密封在进水阀门座(18)中。
8.根据权利要求1或7所述的无线式自来水表，其特征在于，水表基座(1)上靠近电池盒座(15)的一侧有一个电源连线管道(20)，电池盒座(15)的电源线由电源连线管道(20)引出，进水阀门座(18)的一侧有一个控制连线管道(19)，进水阀的控制线由控制连线管道(19)引出，两根管道分别与水表基座(1)上延伸至中央顶部的圆柱体相通。
9.根据权利要求1所述的无线式自来水表，其特征在于，圆形的水表面盖(2)内侧壁有内螺纹，水表基座(1)上延伸至中央顶部的圆柱体的外壁有外螺纹，两者通过螺纹相连，将水表累计指示装置、水表指针驱动专用步进电机(30)、ZigBee天线(14)、无线单片机(33)、水量采样单元封装在水表基座(1)延伸至中央顶部的空心圆柱体中。
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