CN101915598B - 一种低功耗网络智能水表表头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于网络智能水表表头，包括带进、出水口的表头壳体，流量传感器，含微处理器及与之连接的设有低电量报警电路的电源及其控制模块、流量数据采集模块、间隙式显示单元模块、触发式通信与数据传输模块及复位设置模块在内的流程控制系统；该发明采用低功耗的触发式通信传输及远程供电、间隙式显示方式以有效降低表头的功耗，其功耗仅为背景技术的10-25％，通过低电量报警、防磁干扰功能以确保其可靠性和稳定性。因而具有测量及显示用水量、远程抄表准确，表头的功耗极低、电池的使用寿命和工作时间长，表头结构简单、维护方便，能满足全天候通信及远程抄表要求，有利于提高网络智能水表的推广应用等特点。

Description

一种低功耗网络智能水表表头及其使用方法

技术领域

本发明属于一种带远程抄表功能的流量数字水表表头及该表头的使用方法，特别是一种微型嵌入式数字控制电路支持的既可对流量进行计量、又可进行远程抄表的低功耗智能(数字)式水表表头及其使用方法。该表头特别适合与要求较长时间不需更换电池的水网供水系统配套、用于对用户的用水量进行记录、并将记录数据通过网络传送给管理(收费)部门处理。

背景技术

近年来，随着电子技术，通信技术和传感技术的发展，人们研制出一系列新型的网络智能水表，这些测量仪器通过各种类型的传感器得到水流信息，再将传感器输出的电信号进行放大、整形及处理、然后数字显示或者通过网络提交用水量信息。公告号为CN201035737Y、发明名称为《流量计费表数字远传抄表系统》的专利文献所记载的即是此类技术；该专利技术包括：图像采集与预处理部分、数字信号处理部分、数据存储模块、显示部分，该技术由于采用图像采集技术并采用DSP作处理器、通过LED长显示，其功耗大，需频繁更换电池，不便于在较长时间内稳定性地工作等缺陷；而在公开号为CN101526370A、发明名称为《远控智能水表》的专利文献公开了一种包括：设有机电阀的基表及与基表连接的CPU、水源进出口，计数干簧管及与CPU进行数据传输的远程控制器；该技术采用干簧管作传感器、通过RS485总线与CPU结合对水表的水量数据及用水信息进行查询处理、远程控制，其计数精度及抗干扰力均较差，电路复杂、通信模块功耗较高；采用电池供电，又未提供低电量报警功能，一是若水表终端的电池用尽、新的用水量将不被记录，二是维护工作量及排查难度在；此外，由于表头工作环境较复杂，加之该系统未设置防护及去除干扰的装置，在潮湿、雷雨气候条件下电磁等干扰频繁，在使用中往往会发生查表出错或误断水的情况。因而，上述技术存在电路及结构复杂，功耗高、稳定运行周期短且无低电量报警及对电磁及雷击干扰等的防护功能，以及随之带来的用水量不被记录或误断水、查表出错等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种低功耗网络智能水表表头及其使用方法，在准确测量、显示用水量，实现远程抄表的同时，采用低功耗的通信传输方式、显示器间断显示方式，并增设低电池电量报警及防电磁干扰的功能；从而达到大幅度降低水表表头的功耗，有效延长数字水表表头中电池的使用寿命和时间，提高表头工作的稳定性和可靠性，简化表头结构，有利于进一步提高网络智能水表的推广应用等目的。

本发明的解决方案是取消背景技术中设于基表内的机电阀、以简化表头结构并消除误断水的隐患；针对智能(数字)式网络水表功耗最大的部分，多为数据通信单元、显示单元及微处理单元，而且常规表头在大部分计数测量的空闲时间、通信信道空闲时间都处于工作状态，显示器亦处于长显示状态，这是此类表头高功耗的结症所在。本发明采用低功耗的通信传输方式、即在通信启动时通信模块采用远程供电的形式，在微处理器部分采用在数据保持方式下呈低功耗的方式，显示部分则采用仅在查表及校表(设置)时显示(其余时间不显示)、且显示清晰可靠的间隙式显示方式，以克服背景技术功耗高的弊端；在电源及其控制模块中增设电池低电量报警电路、而在通信与数据传输模块中增设防电磁干扰电路，以确保通信稳定、可靠；本发明即以此实现其发明目的。因而本发明水表表头包括带进、出水口的表头壳体，设于壳体内流道中心的流量传感器，含微处理器及与之连接的电源及其控制模块、流量数据采集模块、显示单元模块、通信与数据传输模块在内的流程控制系统，关键在于在流程控制系统中还设有复位设置模块；而在电源及控制模块中还设有低电量报警电路、在通信与数据传输模块中设有防电磁干扰电路；而所述通信与数据传输模块为触发式通信与数据传输模块，显示单元模块为间隙式显示单元模块；流程控制系统中：微处理器通过数据线分别与流量数据采集模块、显示单元模块、通信与数据传输模块连接，通过导线分别与电源及其控制模块、复位处理模块连接，而流量数据采集模块通过数据线与流量传感器连接，电源及其控制模块还通过导线与显示单元模块连接以直接向其提供电源；整套流程控制系统固定于基板上后密封式固定于壳体内流量传感器的上方与表头视窗之间的腔体内，供远程抄表用信号线则经通信与数据传输模块接口引出壳体外。

上述微处理器为MCU微处理(控制)器或CPU微处理器。所述复位处理模块包括复位芯片及与之配套的JTAGE插座组成。所述触发式通信与数据传输模块为在接收到远程控制指令后才启动的触发式通信与数据传输模块，该通信与数据传输模块在触发工作时的工作电源采用外电源远程供电或由控制系统内的电池供电，当采用外电源远程供电时其电源线接口设于壳体外。而所述间隙式显示单元模块为仅在查表及校表设置时显示(工作)的模块。所述低电池电量报警电路采用微电量阀值比较电路，该电路接于电源及其控制电路与微处理器电源缺失引脚之间。所述防电磁干扰电路由包括采用肖特基二极管的防信号反射电路及防冲击电路组成。

本发明表头按常规方式接于管网中后，其使用方法为：

1.0：传感器运行：当用水阀门开启后、水流带动传感器运行并输出流量数据信号；

1.1：微处理器启动：流量数据采集模块采集到由步骤1.0输出的数据信号并输入微处理器、触发其工作，在启动计数时钟单元进行计数、转换、记录和存储的同时，使其余模块维持在待工作状态；

1.2：传感器停止运行：当用水阀门关闭后、传感器停止运行，流量数据采集模块的输出信号中断，微处理器关闭计数时钟单元；此时，包括流程控制系统在内的整个表头转入待工作状态4.0；

2.0：当远程控制指令发出时：

2.1：通信与数据传输模块在收到远程控制指令的同时、激活微处理器以控制通信与数据传输模块执行通信或数据传输任务，并使其余模块维持在待工作状态；

2.2：当步骤2.1完成通信或数据传输任务后，微处理器中断通信与数据传输模块的工作，此时，包括流程控制系统在内的整个表头又转入待工作状态4.0；

3.0：低电量报警：

3.1：当控制系统内的电池进入低电量状态时、低电量报警电路输出报警信号，经微处理器开通通信与数据传输模块中的通信单元，向远程控制端发送低电量警告信号；

3.2：当步骤3.1将低电量警告信号发送完毕后，微处理器使整个表头转入待工作状态4.0；

4.0：表头进入待工作状态：当传感器及整个流程控制系统处于工作间隙时，整个流程控制系统进入最低功耗的待工作状态。

本发明由于针对智能(数字)式水表表头功耗最大的部分，多为数据通信单元、显示单元及微处理单元，且常规表头在大部分计数测量的空闲时间、通信信道空闲(非工作)时间都处于高耗能的工作状态，显示器亦处于长显示状态，是其功耗高的结症；分别采用低功耗的触发式通信传输及远程供电、间隙式显示方式，使系统在非工作时间段均处于待工作状态、以有效降低表头的功耗，并通过设置低电量报警功能、防磁干扰功能，确保其工作的可靠性和稳定性，与背景技术相比、在相同工作条件下本发明表头的功耗仅为其10-25％，在相同电池电源的条件下、本发明表头不更换电池的有效使用时间可较背景技术长3倍以上；而在通信与数据传输模块中增设了防电磁干扰电路，以确保通信稳定、可靠，并可满足全天候通信要求；增设了复位处理功能模块，既可便于初始数据的设置、又可为此后的校表作业提供方便。因而，本发明具有在确保准确测量及显示用水量、实现远程抄表的基础上，大幅度降低了表头的功耗、有效延长了数字水表表头中电池的使用寿命和工作时间，表头工作稳定、可靠，结构简单、维护方便，并能满足全天候通信及远程抄表要求，有利于进一步提高网络智能水表的推广应用等特点。

附图说明

图1为本发明流程控制系统电路结构示意图(方框图)；

图2为本发明具体实施方式流程控制系统基板结构示意图(方框图)；

图3为本发明具体实施方式流程控制系统电路图。

图中：1.微处理器，2.流量数据采集模块，3.通信与数据传输模块、3-1.通信控制芯片、3-2.防电磁干扰电路，4.显示单元模块，5.复位处理模块，6.电源及控制模块、6-1.电池供电控制电路、6-2.外接电源及其稳压控制电路、6-3.常规稳压电路。

具体实施方式

附图2、3分别为本实施方式控制系统基板结构示意图(方框图)及流程控制系统电路图。本实施方式中：表头壳体及设于其内的旋翼式流量传感器均与同类常规表头相同；

微处理器1：本实施方式采用自带存储单元、可固化微控制程序、低微功耗的型号为MSP430FE4232的MCU微处理器；

流量数据采集模块2：由常规传感器信号采集电路及整形滤波电路组成，电路输入端J11接受来自(流量)传感器的信号，通过整形滤波电路后，连接到微处理器1的外部输入端口WGIO1和WGIO2；

通信与数据传输模块3：包括型号为max3471的U21通信控制芯片3-1和分别由陶瓷气体放电管和肖特基二极管组成的防电磁干扰电路3-2，其输入通过接口J21外接；控制芯片U21是一种RS485数据传输控制芯片，该芯片的两个输入端(A、B端)接受来自防电磁干扰电路的输出端，其输出端分别接至微处理器MCU的RXD、TXD、R/D端，作为数据传输或控制信号传送；而防电磁干扰电路3-2在数据读入和传输时，RS485通信线路若出现干扰过压电压，则可防止BA301N陶瓷气体放电管(D21，D22，D23)瞬态击穿接地，这样可保护通信线路信号稳定，若通信线路出现过量电流PTC自恢复热敏保险丝(D24，D25)随温度上升自动断路，待温度回复正常后恢复导通；通过这样的方式可保证水表终端电路的安全，提高水表终端电路的抗干扰能力；在控制芯片(3-1)终端连接的由肖特基二极管组成(D26，D27，D28)匹配电路，既能有效阻止信号反射产生的干扰，又可以有效降低该功能模块的能耗；本实施方式将参数设置为：当A、B线电压差＞＝-50mV时，通信逻辑上表示为1，当A、B线电压差＜＝450mV时，通信逻辑上表示为0。这样的通信方式不仅能兼容以前的通信协议，也能极大地减少通信功耗，其中：D21、D22、D23型号均为BA301N，D24、D25为PTC热敏电阻，D26、D27、D28均为双向瞬态二极管；

显示单元模块4：采用型号为LCM826B的极低功耗LCD显示器件，直接由MCU驱动，本实施方式仅将在表头复位、调试和校表过程中设置(处于)显示状态，而其余时间均处于不显示(省电模式下)的待机状态，该器件在显示工作状态下为4μA(典型值)、在待机状态下则小于1μA，从而极大地降低了数字水表功耗；

复位处理模块2：由型号为U51的复位芯片及与之配套的型号为J61JTAGE的插座组成，其功能是在表头测试或者初始化时对微处理器MCU进行复位，复位信号接至MCU的复位端RST/NMI；复位操作产生的复位信号促发MCU复位，执行初始化程序，通过J61JTAGE插座又可将控制程序写入微处理器MCU中；

电源及控制模块6：本实施方式电源控制模块包括电池供电控制电路6-1，外接电源电压稳定控制电路6-2和常规稳压电路模块6-3三部分；其中：电池供电电路6-1由比较电路组成，电池接于插口J71处，通过电压端VCC对微处理器MCU等进行供电，同时，该电路对电池电压进行监测，通过电压检测线接入微处理器MCU的电压检测引脚(SVS)、检测电池电压，当检测到电池电压低于警戒线时、微处理器MCU通过通信与数据传输模块3发出警告；外接电源及其稳压控制电路6-2，本实施方式采用Voltreg芯片、通过接口J73引入RS485的电源线(或其他外接直流电源)，并通过引线与微处理器MCU的PowerINT线连接进行电池和外接电源的切换；同时对通信和数据传输模块3中的.通信控制芯片3-1供电；常规稳压电路6-3采用型号为HT7533的芯片以稳定输入微处理器MCU的电压。

本实施方式所制得的表头在使用中、按常规方式接于管网中后，即可按前述(P2倒第1行-P3第18行)的方法使用。

Claims (7)

1.一种低功耗网络智能水表表头，包括带进、出水口的表头壳体，设于壳体内流道中心的流量传感器，含微处理器及与之连接的电源及其控制模块、由传感器信号采集电路及整形滤波电路组成的流量数据采集模块、显示单元模块、通信与数据传输模块在内的流程控制系统，其特征在于在流程控制系统中还设有复位设置模块；而在电源及控制模块中还设有低电量报警电路、在通信与数据传输模块中设有防电磁干扰电路；而所述通信与数据传输模块为触发式通信与数据传输模块，显示单元模块为间隙式显示单元模块；流程控制系统中：微处理器通过数据线分别与流量数据采集模块、显示单元模块、通信与数据传输模块连接，通过导线分别与电源及其控制模块、复位处理模块连接，而流量数据采集模块通过数据线与流量传感器连接，电源及其控制模块还通过导线与显示单元模块连接以直接向其提供电源；整套流程控制系统固定于基板上后密封式固定于壳体内流量传感器的上方与表头视窗之间的腔体内，供远程抄表用信号线则经通信与数据传输模块接口引出壳体外；

所述防电磁干扰电路由肖特基二极管的防信号反射电路及防冲击电路组成。

2.按权利要求1所述低功耗网络智能水表表头，其特征在于所述微处理器为MCU微处理器或CPU微处理器。

3.按权利要求1所述低功耗网络智能水表表头，其特征在于所述复位处理模块包括复位芯片及与之配套的JTAGE插座组成。

4.按权利要求1所述低功耗网络智能水表表头，其特征在于所述触发式通信与数据传输模块为在接收到远程控制指令后才启动的触发式通信与数据传输模块，该通信与数据传输模块在触发工作时的工作电源采用外电源远程供电或由控制系统内的电池供电，当采用外电源远程供电时其电源线接口设于壳体外。

5.按权利要求1所述低功耗网络智能水表表头，其特征在于所述间隙式显示单元模块为仅在查表及校表设置时显示的模块。

6.按权利要求1所述低功耗网络智能水表表头，其特征在于所述低电池电量报警电路采用微电量阀值比较电路，该电路接于电源及其控制电路与微处理器电源缺失引脚之间。

7.按权利要求1所述低功耗网络智能水表表头的使用方法，其使用方法包括：

1.0：传感器运行：当用水阀门开启后、水流带动传感器运行并输出流量数据信号；

1.1：微处理器启动：流量数据采集模块采集到由步骤1.0输出的数据信号并输入微处理器、触发其工作，在启动计数时钟单元进行计数、转换、记录和存储的同时，使其余模块维持在待工作状态；

1.2：传感器停止运行：当用水阀门关闭后、传感器停止运行，流量数据采集模块的输出信号中断，微处理器关闭计数时钟单元；此时，包括流程控制系统在内的整个表头转入待工作状态4.0；

2.0：当远程控制指令发出时：

2.1：通信与数据传输模块在收到远程控制指令的同时、激活微处理器以控制通信与数据传输模块执行通信或数据传输任务，并使其余模块维持在待工作状态；

2.2：当步骤2.1完成通信或数据传输任务后，微处理器中断通信与数据传输模块的工作，此时，包括流程控制系统在内的整个表头又转入待工作状态4.0；

3.0：低电量报警：

3.1：当控制系统内的电池进入低电量状态时、低电量报警电路输出报警信号，经微处理器开通通信与数据传输模块中的通信单元，向远程控制端发送低电量警告信号；

3.2：当步骤3.1将低电量警告信号发送完毕后，微处理器使整个表头转入待工作状态4.0；

4.0：表头进入待工作状态：当传感器及整个流程控制系统处于工作间隙时，整个流程控制系统进入最低功耗的待工作状态。