CN103218873A - 一种无线远传智能水表 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线远传智能水表，包括一个中空的表壳和设置在表壳上方的显示腔。上述表壳的相对两侧分设有进水口和进水口，表壳的内腔中安装有流量传感器和霍尔唤醒装置。显示腔内设有无线远传模块、电子显示屏和微控制器。上述霍尔提醒装置如图所示，其由支架、霍尔传感器和绝缘挡板组成。当水流从表壳的进水口进入时，水口推动绝缘挡板下部的感应端向表壳的进水口一侧运动，此时绝缘挡板上部的磁钢片则朝向表壳的进水口一侧运动，并使得磁钢片与霍尔传感器吸合，霍尔传感器发出唤醒信号即脉冲信号至微控制器，水表的控制系统被唤醒进入工作状态。本发明具有误差小、功耗低、寿命长、且更适于在智能水网中使用的特点。

Description

一种无线远传智能水表

技术领域

本发明涉及水表计量领域，具体涉及一种无线远传智能水表。

背景技术

随着我国城市人口膨胀和水资源的枯竭以及供水行业的发展需要，高质量的供水管理成为城市公共事业的急需，智能水网的建设也必将作为促进水资源管理的重要方式。智能水网能够将包括从水的源头管理、水的生产监控、水质在线检测、进入水网的调度、用水的计量、水务办公自动化等几个方面的融合。其中智能水网的实现离不开强大的物联网系统，更离不开先进的计量仪器仪表等。遍布城市各区域即用户终端的智能水表是智能水网的重要组成部分和设计关键环节。智能水表不仅仅需要完成抄表收费工作和数据统计分析为水管理和生产提供参考依据，而且能够通过网络为用户提供数据服务，为售后服务提供网络监视平台。

目前的水表多采用的485无源总线连接方式进行的数据采集，水表对水量的计量方式普遍通过对计数轮上的数字采用光电直读来完成，即水表计量是通过水流流经水表驱动叶轮旋转，而在叶轮轴上的有个联动部件和计数机构相连，使计数机构累计叶轮的转数，从而记下通过水表的水量，而计数机构多采用多级齿轮带动，长时间使用是有磨损的，从而造成计量的误差。为了克服上述问题，专利号为CN94210324.6的中国实用新型专利公开了一种新型数字式水表，它由壳体，水流发电兼流量传感器和装有微处理器芯片、微型可充电电池及数码管的线路板组合而成。该水表虽然能够在不需要外加或更换电源的条件下水流量的数字显示和不间断供电问题，保证了水表可以长期正常工作使用。但是由于该水表只考虑了单机独立工作状态，而并未考虑整个智能水网系统的整体统计的工作量，因此该水表的水流发电兼流量传感器即使在水表内无水流时也会始终处于持续工作的状态。当流量传感器采集持续不断地采集流量数据时，不仅会照成流量传感器的疲劳，影响传感器甚至是水表的寿命，而且传感器持续返回的流量数据会加大微控制器的数据处理量和功耗，这些数据处理量和功耗看似对于单个水表而已不大，但是对于需要管理成千上万个水表的智能水网的监控中心而言，这些数据统计量和功耗则是巨大的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种误差小、功耗低、寿命长、且更适于在智能水网中使用的一种无线远传智能水表。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

一种无线远传智能水表，包括一个中空的表壳和设置在表壳上方的显示腔，上述表壳的相对两侧分设有进水口和出水口；其不同之处是还进一步包括流量传感器、霍尔唤醒装置、无线远传模块、电子显示屏和微控制器，其中霍尔提醒装置由支架、霍尔传感器和绝缘挡板组成；其中支架横设在靠近进水口一侧的表壳上层内侧壁处；绝缘挡板的中部安装在支架上，绝缘挡板在表壳内呈直立悬空设置，其绝缘挡板下部的感应端与表壳的进水口正对，绝缘挡板上部靠近表壳内侧壁一侧固定有磁钢片；霍尔传感器固定在与磁钢片相对的表壳上层内侧壁上，且霍尔传感器和磁钢片之间存在一定间隙；霍尔传感器的引脚与微控制器电连接；当水流从表壳的进水口进入时，水口推动绝缘挡板下部的感应端向表壳的出水口一侧运动，此时绝缘挡板上部的磁钢片则朝向表壳的进水口一侧运动，并使得磁钢片与霍尔传感器吸合，霍尔传感器发出唤醒脉冲信号至微控制器；流量传感器设置在表壳内腔中，并处于表壳的进水口和出水口之间；流量传感器的引脚与控制器电连接，当水流从表壳的进水口流入出水口时，流量传感器返回水流流量脉冲信号至微控制器；无线远传模块、电子显示屏和微控制器均设置在显示腔内；无线远传模块和电子显示屏均与微控制器电连接。

为了能够更好地感应水流，上述方案中，所述绝缘挡板的感应端最好呈圆片状。

为了让分布在城市各个区域的水表与监控中心进行远距离的无线通信，所述无线远传模块为射频模块，该射频模块主要由射频收发器、功率放大电路、天线匹配电路和射频收发天线构成；其中功率放大电路包括信号接收前置放大电路、信号发射前置放大电路、以及2个四通道双级双掷的射频端模拟开关和天线端模拟开关，信号接收前置放大电路和信号发射前置放大电路分别并联在射频端模拟开关和天线端模拟开关的2组输出口之间，且射频端模拟开关的输入口连接射频收发器，天线端模拟开关的输入口则经过天线匹配电路与射频收发天线相连；射频端模拟开关和天线端模拟开关的2组控制端口分别相连。

上述方案中，所述信号发射前置放大电路主要由电容及电感构成的平衡滤波电路；电感及电容构成的LC谐振电路；射频放大晶体管；电感及电容构成的第一LC滤波电路；电感及电容构成的第二LC滤波电路；电容构成的晶体管电源滤波电路；偏压电阻；以及限流电阻构成；天线端模拟开关的第一输出口经过平衡滤波电路、LC谐振电路和第一LC滤波电路连接在射频放大晶体管的漏极上；该射频放大晶体管的漏极还分别与晶体管电源滤波电路和电源输出端口连接，射频放大晶体管的源极接地；射频放大晶体管的栅极分为两路，一路经电容连接在射频端模拟开关的第一输出口上，另一路则经过第二LC滤波电路、偏压电阻和限流电阻分别连接在射频收发器的第一控制端上；上述射频收发器的第一控制端的一路经过电阻、及电容构成的第一RC滤波电路与射频端模拟开关的第一控制端相连；另一路则经过电阻、及电容构成的第二RC滤波电路连接在天线端模拟开关的第一控制端上。

上述方案中，所述信号前置接收电路主要由电感及电容构成的滤波去耦电路；射频三极管；电阻、电容及电感构成的波型整形电路；双极性三极管；以及电阻及电容和构成的滤波反馈电路的构成；天线端模拟开关中的第二输出口经过滤波去耦电路连接至射频三极管的基极；射频三极管的发射极接地；射频三极管的集电极的一路经电容直接与射频端模拟开关的第二输出口相连，另一路则通过波型整形电路分别连接至双极性三极管的第二集电极上和电源输出端口上；双极性三极管的第二发射极、第二基极和第一集电极经过滤波反馈电路连接至电源输入端口；双极性三极管的第一发射极接地；双极性三极管的第一基极经电阻连接在射频收发器的第二控制端上；上述射频收发器的第二控制端一路经过电阻与射频端模拟开关的第二控制端相连，另一路则经过电阻及电容构成的第三RC滤波电路连接在天线端模拟开关的第二控制端上。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、通过霍尔提醒装置对水表的启闭进行控制，从而使得整个水表在无水流计量时,系统进入睡眠状态；在感知有水流量时，可立即激活系统进入计量状态；这不仅能够有效减小的水表的功耗，而且能够减小单个水表特别是智能水网监控中心的数据处理量；

2、通过流量传感器计量水流量，有效克服了传统通过机械计数机构易于磨损而照成的计数精度降低和实用寿命短的不足。

3、通过无线远传模块将水流量数据回传至智能水网的监控中心，能够节省智能水网数据布线的开销，减小系统的复杂度。

4、采用无线远传射频技术使得功率到负载上实现最佳功率值的匹配。

附图说明

图1为一种无线远传智能水表的结构示意图。

图2为霍尔提醒装置的结构示意图。

图3为一种无线远传智能水表内部电路控制系统原理图。

图4为射频模块电路原理图。

图中标号：1、表壳；1-1、进水口；1-2、出水口；2、显示腔；3-1、支架；3-2、霍尔传感器；3-3、绝缘挡板；3-4、磁钢片；3-5、感应端；4、流量传感器；5、无线远传模块；6、电子显示屏；7、微控制器。

具体实施方式

参见图1，一种无线远传智能水表，包括一个中空的表壳1和设置在表壳1上方的显示腔2。上述表壳1的相对两侧分设有进水口1-1和进水口1-2，表壳1的内腔中安装有流量传感器4和霍尔唤醒装置。显示腔2内设有无线远传模块5、电子显示屏6和微控制器7。

上述霍尔提醒装置如图2所示，其由支架3-1、霍尔传感器3-2和绝缘挡板3-3组成。其中支架3-1横设在靠近进水口1-1一侧的表壳1上层内侧壁处。绝缘挡板3-3的中部安装在支架3-1上，绝缘挡板3-3在表壳1内呈直立悬空设置，其绝缘挡板3-3下部的感应端3-5与表壳1的进水口1-1正对，绝缘挡板3-3上部靠近表壳1内侧壁一侧固定有磁钢片3-4。绝缘挡板3-3下部的感应端3-5应该相较于绝缘挡板3-3的中部稍大，才能更好地感知水流，如该感应端3-5可以呈方片状、梯形片状、三角片状或圆片状。在本发明优选实施例中，所述绝缘挡板3-3的感应端3-5呈圆片状，其直径约为5cm。霍尔传感器3-2固定在与磁钢片3-4相对的表壳1上层内侧壁上，且霍尔传感器3-2和磁钢片3-4之间存在一定间隙。霍尔传感器3-2的引脚与微控制器7电连接。当没有水流通过时,系统会在一定时间内自动进入睡眠状态,以降低功耗。当水流从表壳1的进水口1-1进入时，水口推动绝缘挡板3-3下部的感应端3-5向表壳1的进水口1-2一侧运动，此时绝缘挡板3-3上部的磁钢片3-4则朝向表壳1的进水口1-1一侧运动，并使得磁钢片3-4与霍尔传感器3-2吸合，霍尔传感器3-2发出唤醒信号即脉冲信号至微控制器7，水表的控制系统被唤醒进入工作状态。

流量传感器4是水表内部水流量的主要感知装置，其设置在表壳1内腔中，并处于表壳1的进水口1-1和进水口1-2之间。流量传感器4的引脚与控制器电连接，当水流从表壳1的进水口1-1流入进水口1-2时，流量传感器4模块会产生一个水流流量脉冲送入微控制器7进行处理。在微控制器7内部，流量和脉冲按照以下等式关系进行换算，即

f=8.1×Q-3

公式中，f为水流流量脉冲频率，Q为流量既升/分钟。

无线远传模块5和电子显示屏6均与微控制器7电连接。其中无线远传模块5用于与智能水网的监控中心实现数据通信。电子显示屏6用于显示通过水表的水流量及相关信息。图3为一种无线远传智能水表的内部电路控制系统原理图。

为了能够实现无线远传通信，本发明的无线远传模块5可以为GPRS通信模块、2G通信模块、3G通信模块、4G通信模块和/或射频模块。但考虑到GPRS通信模块、2G通信模块、3G通信模块、4G通信模块等通信均需要依赖移动通信提供商，这便需要额外支付一定的通信费用，因此为了能够让各个水表与监控中心进行免费通信，本发明优选实施例的无线远传模块5为能够实现远传效果的射频模块。

上述射频模块主要由射频收发器、功率放大电路、天线匹配电路和射频收发天线构成。其中功率放大电路包括信号接收前置放大电路、信号发射前置放大电路、以及2个四通道双级双掷的射频端模拟开关U8和天线端模拟开关U7，信号接收前置放大电路和信号发射前置放大电路分别并联在射频端模拟开关U8和天线端模拟开关U7的2组输出口之间，且射频端模拟开关U8的输入口连接射频收发器，天线端模拟开关U7的输入口则经过天线匹配电路与射频收发天线相连；射频端模拟开关U8和天线端模拟开关U7的2组控制端口分别相连。

本发明射频模块的电路原理图如图4所示，其中：

信号发射前置放大电路主要由电容C22、C23及电感L7、L9构成的平衡滤波电路；电感L1及电容C19构成的LC谐振电路；射频放大晶体管Q10；电感L17、及电容C33、C100构成的第一LC滤波电路；电感L6、及电容C35构成的第二LC滤波电路；电容C34、C36构成的晶体管电源滤波电路；偏压电阻R30、R38；以及限流电阻R44构成。天线端模拟开关U7的第一输出口经过平衡滤波电路、LC谐振电路和第一LC滤波电路连接在射频放大晶体管Q10的漏极上。该射频放大晶体管Q10的漏极还分别与晶体管电源滤波电路和电源输出端口PA_PWR连接，射频放大晶体管Q10的源极接地。射频放大晶体管Q10的栅极分为2路，一路经电容C45连接在射频端模拟开关U8的第一输出口上，另一路则经过第二LC滤波电路、偏压电阻和限流电阻分别连接在射频收发器的第一控制端RF_TXC_GDO0上。上述射频收发器的第一控制端RF_TXC_GDO0的一路经过电阻R37、及电容C12、C15构成的第一RC滤波电路与射频端模拟开关U8的第一控制端相连；另一路则经过电阻R25、及电容C29构成的第二RC滤波电路连接在天线端模拟开关U7的第一控制端上。

信号前置接收电路主要由电感L12及电容C37、C39构成的滤波去耦电路；射频三极管KST10MTF；电阻R34、R35、电容C42、C43、C87及电感L14构成的波型整形电路；双极性三极管BC847PN；以及电阻R26、R27及电容C30和构成的滤波反馈电路的构成。天线端模拟开关U7中的第二输出口经过滤波去耦电路连接至射频三极管KST10MTF的基极。射频三极管KST10MTF的发射极接地。射频三极管KST10MTF的集电极的一路经电容C40、C42直接与射频端模拟开关U8的第二输出口相连；另一路则通过波型整形电路分别连接至双极性三极管BC847PN的第二集电极上和电源输出端口RX_PWR上。双极性三极管BC847PN的第二发射极、第二基极和第一集电极经过滤波反馈电路连接至电源输入端口3V3。双极性三极管BC847PN的第一发射极接地。双极性三极管BC847PN的第一基极经电阻R28连接在射频收发器的第二控制端RF_TXC_GDO2上。上述射频收发器的第二控制端RF_TXC_GDO2一路经过电阻R36与射频端模拟开关U8的第二控制端相连，另一路则经过电阻R13及电容C28构成的第三RC滤波电路连接在天线端模拟开关U7的第二控制端上。

天线匹配电路采用双T型匹配电路，即包括电感L16及电容C49、C50构成的第一阻抗匹配电路；以及电感L16、L17及电容C50、C51、C52构成的第二阻抗匹配电路。第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路的作用均是滤波和隔离高频信号，通过参数选择来实现最大限度的滤波和隔离。

射频模块的传输和控制功能采用433Mhz频段，实现的近距离的无线控制和传输，它不但可以接入智能家居无线管理网关，以实现家庭式集中管理的模式，而且燃气公司也可以借助RF模式对燃气表的访问。

Claims (5)

1.一种无线远传智能水表，包括一个中空的表壳（1）和设置在表壳（1）上方的显示腔（2），上述表壳（1）的相对两侧分设有进水口（1-1）和进水口（1-2）；其特征在于：还进一步包括霍尔唤醒装置、流量传感器（4）、无线远传模块（5）、电子显示屏（6）和微控制器（7），其中

霍尔提醒装置由支架（3-1）、霍尔传感器（3-2）和绝缘挡板（3-3）组成；其中支架（3-1）横设在靠近进水口（1-1）一侧的表壳（1）上层内侧壁处；绝缘挡板（3-3）的中部安装在支架（3-1）上，绝缘挡板（3-3）在表壳（1）内呈直立悬空设置，其绝缘挡板（3-3）下部的感应端（3-5）与表壳（1）的进水口（1-1）正对，绝缘挡板（3-3）上部靠近表壳（1）内侧壁一侧固定有磁钢片（3-4）；霍尔传感器（3-2）固定在与磁钢片（3-4）相对的表壳（1）上层内侧壁上，且霍尔传感器（3-2）和磁钢片（3-4）之间存在一定间隙；霍尔传感器（3-2）的引脚与微控制器（7）电连接；当水流从表壳（1）的进水口（1-1）进入时，水口推动绝缘挡板（3-3）下部的感应端（3-5）向表壳（1）的进水口（1-2）一侧运动，此时绝缘挡板（3-3）上部的磁钢片（3-4）则朝向表壳（1）的进水口（1-1）一侧运动，并使得磁钢片（3-4）与霍尔传感器（3-2）吸合，霍尔传感器（3-2）发出唤醒脉冲信号至微控制器（7）；

流量传感器（4）设置在表壳（1）内腔中，并处于表壳（1）的进水口（1-1）和进水口（1-2）之间；流量传感器（4）的引脚与控制器电连接，当水流从表壳（1）的进水口（1-1）流入进水口（1-2）时，流量传感器（4）返回水流流量脉冲信号至微控制器（7）；

无线远传模块（5）、电子显示屏（6）和微控制器（7）均设置在显示腔（2）内；无线远传模块（5）和电子显示屏（6）均与微控制器（7）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种无线远传智能水表，其特征在于：所述绝缘挡板（3-3）的感应端（3-5）呈圆片状。

3.根据权利要求1或2所述的一种无线远传智能水表，其特征在于：所述无线远传模块（5）为射频模块，该射频模块主要由射频收发器、功率放大电路、天线匹配电路和射频收发天线构成；其中功率放大电路包括信号接收前置放大电路、信号发射前置放大电路、以及2个四通道双级双掷的射频端模拟开关（U8）和天线端模拟开关（U7），信号接收前置放大电路和信号发射前置放大电路分别并联在射频端模拟开关（U8）和天线端模拟开关（U7）的2组输出口之间，且射频端模拟开关（U8）的输入口连接射频收发器，天线端模拟开关（U7）的输入口则经过天线匹配电路与射频收发天线相连；射频端模拟开关（U8）和天线端模拟开关（U7）的2组控制端口分别相连。

4.根据权利要求3所述的一种无线远传智能水表，其特征在于：所述信号发射前置放大电路主要由电容（C22、C23）及电感（L7、L9）构成的平衡滤波电路；电感（L1）及电容（C19）构成的LC谐振电路；射频放大晶体管（Q10）；电感（L17）及电容（C33、C100）构成的第一LC滤波电路；电感（L6）及电容（C35）构成的第二LC滤波电路；电容（C34、C36）构成的晶体管电源滤波电路；偏压电阻（R30、R38）；以及限流电阻（R44）构成；天线端模拟开关（U7）的第一输出口经过平衡滤波电路、LC谐振电路和第一LC滤波电路连接在射频放大晶体管（Q10）的漏极上；该射频放大晶体管（Q10）的漏极还分别与晶体管电源滤波电路和电源输出端口（PA_PWR）连接，射频放大晶体管（Q10）的源极接地；射频放大晶体管（Q10）的栅极分为两路，一路经电容（C45）连接在射频端模拟开关（U8）的第一输出口上，另一路则经过第二LC滤波电路、偏压电阻和限流电阻分别连接在射频收发器的第一控制端（RF_TXC_GDO0）上；上述射频收发器的第一控制端（RF_TXC_GDO0）的一路经过电阻（R37）、及电容（C12、C15）构成的第一RC滤波电路与射频端模拟开关（U8）的第一控制端相连；另一路则经过电阻（R25）、及电容（C29）构成的第二RC滤波电路连接在天线端模拟开关（U7）的第一控制端上。

5.根据权利要求3所述的一种无线远传智能水表，其特征在于：所述信号前置接收电路主要由电感（L12）及电容（C37、C39）构成的滤波去耦电路；射频三极管（KST10MTF）；电阻（R34、R35）、电容（C42、C43、C87）及电感（L14）构成的波型整形电路；双极性三极管（BC847PN）；以及电阻（R26、R27）及电容（C30）和构成的滤波反馈电路的构成；天线端模拟开关（U7）中的第二输出口经过滤波去耦电路连接至射频三极管（KST10MTF）的基极；射频三极管（KST10MTF）的发射极接地；射频三极管（KST10MTF）的集电极的一路经电容（C40、C42）直接与射频端模拟开关（U8）的第二输出口相连，另一路则通过波型整形电路分别连接至双极性三极管（BC847PN）的第二集电极上和电源输出端口（RX_PWR）上；双极性三极管（BC847PN）的第二发射极、第二基极和第一集电极经过滤波反馈电路连接至电源输入端口（3V3）；双极性三极管（BC847PN）的第一发射极接地；双极性三极管（BC847PN）的第一基极经电阻（R28）连接在射频收发器的第二控制端（RF_TXC_GDO2）上；上述射频收发器的第二控制端（RF_TXC_GDO2）一路经过电阻（R36）与射频端模拟开关（U8）的第二控制端相连，另一路则经过电阻（R13）及电容（C28）构成的第三RC滤波电路连接在天线端模拟开关（U7）的第二控制端上。

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