CN105446240A - 一种近程自供电管道流体参数监控终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近程自供电管道流体参数监控终端，包括流体发电装置和储能监测装置，所述的储能监测装置包括智能控制板和充电电池，所述的智能控制板包括微控制器、无线通信模块、复合传感器。本发明通过流体发电装置将流体能量转换为电能，并储存在充电电池上，实现了自供电和能量保存的技术效果；通过ZigBee模块或NRF模块或Bluetooth模块或红外模块，实现了无线近程传输的技术效果；通过微控制器来分析流体流速，通过复合传感器来采集流体温度、流体压力信息，从而起到了监控管道流体参数的技术效果，省掉了流体监控模块，使结构更加简单，成本低廉，体积更小。

Description

一种近程自供电管道流体参数监控终端

技术领域

本发明涉及流体监控领域，尤其涉及一种近程自供电管道流体参数监控终端。

背景技术

水是地球上最常见的物质之一，是包括无机化合、人类在内所有生命生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分，水在生命演化中起到了重要作用，它是一种狭义不可再生，广义可再生资源。

水是生命之源，一个城市、一个家庭乃至人们的生活时时刻刻都离不开水，我国人均水资源量只有2100立方米，仅为世界人均水平的28%，水资源供需矛盾突出，全国年平均缺水量500多亿立方米，三分之二的城市缺水，农村有近3亿人口饮水不安全。

在城市中，水通过供水管网输送到各家各户，然而城市供水管网系统在其运行过程中，由于各种无法预测甚至无法控制等因素的影响，会不可避免地受到一定程度的损坏，造成部分自来水的漏失，据统计，我国城市普遍存在供水管网漏失。

针对如何有效的检测水管漏水，申请公布号为CN101871834A的一种无线近程漏水探测设备与系统，采用电池供电、能够实现无线近程漏水监测，相较于传统的声波监测来说，能够更加及时的发现漏水问题以及更准确的发现漏水地点，然而该专利采用电池供电，使得供电系统不能再生，存在局限性；该专利主要针对的是地下水管的漏水监测，需要将该设备放置在地下水管上，在出现设备故障时存在不好维修等问题。

申请公布号为CN103471654A的自供电流体量监测系统，包括水管、流体发电机、流量监测模块、集能芯片、电力储存模块、升压电路、单片机、液晶屏，能够完成流量监测、计费显示、温度测量、蓝牙传输等功能，但该发明有流量监测模块、升压模块以及液晶屏显示电能，耗能大并且系统复杂，价格昂贵，故而具有明显的缺陷。

因此，有必要设计一种功耗和自供电合理、同时支持无线近程流体参数监控、并且结构更加简单且价格便宜的管道流体监控器。

发明内容

本发明为解决上述问题提供一种近程自供电管道流体参数监控终端，通过流体发电装置将流体能量转换为电能，并储存在充电电池上，实现了自供电和能量保存的技术效果；通过ZigBee模块或NRF模块或Bluetooth模块或红外模块，实现了无线近程传输的技术效果；通过微控制器来分析流体流速，通过复合传感器来采集流体温度、流体压力信息，从而起到了监控管道流体参数的技术效果，并省掉了流体监控模块，使结构更加简单，成本低廉，体积更小；同时该监控器只在有流体流动的情况下才唤醒单片机和无线近程传输，不需要持续性的消耗电能，使得自供电系统足以提供用电电路的使用。

为实现上述目的，达到上述效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种近程自供电管道流体参数监控终端，包括流体发电装置和储能监测装置，所述的流体发电装置通过导线与储能监测装置连接，所述的储能监测装置包括智能控制板和充电电池，所述的智能控制板包括微控制器、无线通信模块和至少能同时检测流体温度和流体压力的复合传感器，所述的智能控制板通过导线与充电电池、流体发电装置连接，所述的流体发电装置连接在管道上，将流体能量转换为电能，储存在充电电池上，供智能控制板工作，所述的微控制器根据接收到的电信号得出流体流速信息，根据复合传感器得到流体温度、流体压力信息，并控制无线通信模块将流体参数实时发送到服务器端，所述的无线通信模块为ZigBee模块或NRF模块或Bluetooth模块或红外模块，可实现近程无线传输。

进一步的，所述的流体发电装置包括外壳、微型发电机、固定转轴、水轮机与管道接口，所述的微型发电机通过固定转轴与水轮机连接，所述的微型发电机包括转子、定子，所述的定子固定在外壳上，所述的管道接口包括进水口与出水口，所述的进水口、出水口与管道连接。

进一步的，所述的无线通信模块可接收服务器端上的控制信号，并将其信息传输到微控制器上进行处理，从而控制整个监控器的工作状态。

进一步的，所述的智能控制板包括电能收集电路、电池管理电路，所述的流体发电装置经整流电路后与电能收集电路连接，所述的电能收集电路与电池管理电路连接，所述的充电电池与电池管理电路连接。

进一步的，所述的微控制器连接有信号整形电路，所述的信号整形电路经整流电路与流体发电装置连接，所述流体发电装置的产生的交流电波形经整流电路后变成脉动直流电波形，经信号整形电路后变成矩形波波形，所述的微控制器接收到电信号的波形为矩形波。

进一步的，所述的矩形波周期与交流电周期一致或成正比关系。

进一步的，所述的微控制器根据接收到的电信号得出流体流速信息的工作原理为：所述的管道内的流体推动水轮机旋转，通过固定转轴带动转子旋转，与定子切割磁力线，产生交流电，交流电的频率与流体流速成正比关系，微控制器根据接收到的电信号得出交流电频率，从而得到流体流速。

进一步的，所述的储能监测装置上连接有指示灯，所述的指示灯与微控制器连接，起到电满指示以及电满时消耗电能的作用。

进一步的，所述的复合传感器通过探头与管道内的流体接触。

进一步的，所述的充电电池可替换为超级电容，所述的流体发电装置经整流电路后与超级电容连接。

本发明的有益效果是：

1、与传统人工判断监测漏水来说，本发明适用于包括水、油、气等管道流体的流量监控，通过微控制器来分析流体信息，并将流体信息通过无线通信模块，无线近程传输到服务器端，由服务器端处理并发出泄漏预警，实现实时自动化监测，使人们能了解自家管道流体的流量使用状况，从而能更及时的发现流体泄露，相较于人工监测，得到的信息更多、耗费的精力更少、结果更加准确有效，发现流体泄露的速度更快。

2、与使用电池供电或采用流体供电却使用大功耗用电电路的产品来说，通过流体发电装置将流体能量转换为电能，并储存在充电电池上，实现了自供电和能量保存的技术效果，同时该监控器只在有流体流动的情况下才唤醒单片机和无线近程传输，不需要持续性的消耗电能，再加上本身电路更加简单，使得自供电系统足以提供用电电路的使用；

3、目前出现的产品和发明在实现水力发电和流体监测都是分开来完成的，即需要使用水力发电机和流体监测模块共两个组件，而本发明通过将交流电波形转化为矩形波波形，通过微控制器对矩形波波形的处理得出流体流速信息，从而起到了监控管道流体流量的技术效果，在保证能得到有效流体信息的同时，省去了流体监控模块，使结构更加简单，成本更加低廉，体积更小；

4、本发明使用ZigBee模块或NRF模块或Bluetooth模块或红外模块来作为无线通信模块，相对于WIFI模块和GPRS模块来说，虽然传输距离较短，但其功耗更低，价格更加低廉。

5、本发明设置有复合传感器，并通过无线通信模块与服务器端进行信息传输，使人们能了解管道内的流体参数，以北方的自来水公司来说，可以根据水温信息来判断是否会因水温过低而结冰，从而避免因结冰而造成的水管堵塞或爆炸等现象；根据高楼层的水压大小来适当调节水压，避免高楼层水压过低造成的水流缓慢或停水，也防止了因盲目加压所导致的爆管等现象；

综上，本发明是一种功耗和自供电合理、同时支持无线近程流体参数监控、并且结构更加简单且价格便宜的管道流体监控器。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后，本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明涉及的一种近程自供电管道流体参数监控终端的框架示意图；

图2为本发明涉及的一种近程自供电管道流体参数监控终端连接在管道上的示意图；

图3为本发明涉及的储能监测装置的内部示意图；

图4为本发明涉及的流体发电装置的内部结构示意图；

图5为本发明涉及的无线通信模块与服务器端通信时的示意图；

图6为本发明涉及的微控制器采集流体信息的电路示意图；

图7为本发明涉及的流体发电装置自供电的电路示意图；

图8为本发明涉及的交流电波形经整流电路、信号整形电路后的波形变化示意图；

图9为与本发明配合使用的服务器端根据流体流速所进行漏水检测的流程示意图；

图10为本发明涉及的流体发电装置的可选实施例示意图。

图2-图5、图10中，流体发电装置1、外壳11、微型发电机12、转子121、定子122、固定转轴13、水轮机14、管道接口15、空腔16、进水口151、出水口152、指示灯2、储能监测装置3、智能控制板31、微控制器311、无线通信模块312、复合传感器313、充电电池32、管道4、服务器端5。

图6-图7中，D1为整流桥，VT1为NPN型的三极管，R1-R2为电阻，MCU为微控制器，VCC为工作电压。

图8中，Vt为实时水流流速、V0为漏水预警流速值、St为实时水流体积、S0为漏水预警体积值。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明：

如图1-图10所示，一种近程自供电管道流体参数监控终端，包括流体发电装置1和储能监测装置3，所述的流体发电装置1通过导线与储能监测装置3连接，所述的储能监测装置3包括智能控制板31和充电电池32，所述的智能控制板31包括微控制器311、无线通信模块312和至少能同时检测流体温度和流体压力的复合传感器313，所述的智能控制板31通过导线与充电电池32、流体发电装置1连接，所述的流体发电装置1连接在管道4上，将流体能量转换为电能，储存在充电电池32上，供智能控制板31工作，所述的微控制器311根据接收到的电信号得出流体流速信息，根据复合传感器313得到流体温度、流体压力信息，并控制无线通信模块312将流体参数实时发送到服务器端5，所述的无线通信模块312为ZigBee模块或NRF模块或Bluetooth模块或红外模块，可实现近程无线传输。

进一步的，所述的流体发电装置1包括外壳11、微型发电机12、固定转轴13、水轮机14与管道接口15，所述的微型发电机12通过固定转轴13与水轮机14连接，所述的微型发电机12包括转子121、定子122，所述的定子122固定在外壳11上，所述的管道接口15包括进水口151与出水口152，所述的进水口151、出水口152与管道4连接。

进一步的，所述的无线通信模块312可接收服务器端5上的控制信号，并将其信息传输到微控制器311上进行处理，从而控制整个监控器的工作状态。

进一步的，所述的智能控制板31包括电能收集电路、电池管理电路，所述的流体发电装置1经整流电路后与电能收集电路连接，所述的电能收集电路与电池管理电路连接，所述的充电电池32与电池管理电路连接。

进一步的，所述的微控制器311连接有信号整形电路，所述的信号整形电路经整流电路与流体发电装置1连接，所述流体发电装置1的产生的交流电波形经整流电路后变成脉动直流电波形，经信号整形电路后变成矩形波波形，所述的微控制器311接收到电信号的波形为矩形波。

进一步的，所述的矩形波周期与交流电周期一致或成正比关系。

进一步的，所述的微控制器311根据接收到的电信号得出流体流速信息的工作原理为：所述的管道4内的流体推动水轮机14旋转，通过固定转轴13带动转子121旋转，与定子122切割磁力线，产生交流电，交流电的频率与流体流速成正比关系，微控制器311根据接收到的电信号得出交流电频率，从而得到流体流速。

进一步的，所述的储能监测装置3上连接有指示灯2，所述的指示灯2与微控制器311连接，起到电满指示以及电满时消耗电能的作用。

进一步的，所述的复合传感器313包括温度传感器，所述的温度传感器与管道4内的流体接触。

进一步的，所述的充电电池32可替换为超级电容，所述的流体发电装置1经整流电路后与超级电容连接。

具体实施例

根据图1-图5所示，本发明的一种近程自供电管道流体参数监控终端连接在管道4上使用，该管道4内的流体为水流，通过进水口151、出水口152分别与管道4连接，并配合相应的服务器端5使用，其与管道4、服务器端5组合起来使用的工作过程如下：

1）、自供电：管道4内的水流推动水轮机14旋转，通过固定转轴13带动转子121旋转，与定子122切割磁力线，产生交流电；

2）、储电：交流电经整流电路后传输到电能收集电路、电池管理电路，最后传输到充电电池32中完成电能量保存；

3）、采集水流信息：交流电经整流电路后同时传输到信号整形电路，然后由微控制器311根据接收到的电信号得出水流流速信息；复合传感器采集管道4内的水温、水压参数，并将包括流速、温度、压力的水流参数送至微控制器311；

4）、无线传输：当微控制器311采集了一定时间内的水流参数，唤醒无线通信模块312，并将一定时间内的水流参数通过无线通信模块312发射到服务器端5；

5）、预警：服务器端5根据接收到的水流流速信息与漏水预警值相比较，从而在超出漏水预警值的范围后进行漏水预警提醒；根据接收到的水温信息与预设的最低温度值比较，从而在低于最低温度值时发出水温过低预警提醒；根据接收到的水压信息与预设的压力值比较，从而在超出压力值范围后发出水压过大或水压过小的预警提醒；

6）、指示灯亮：当充电电池32的电量充满，通过电池管理电路，将电满信号传输到微控制器311，由微控制器311控制指示灯2亮，同时指示灯2起到消耗电能的作用，避免充电电池32在饱和的状况下还持续充电所造成的损伤；

7）、控制：用户可以在服务器端5上的程序进行控制，无线通信模块312接收服务器端5上的控制信号，并将其信息传输到微控制器311上进行处理，从而控制整个监控器的工作状态；

8）、状态：当没有水流流动且服务器端5未发出控制信号，整个电路处于休眠状态；当没有水流流动，但服务器端5发出控制信号，唤醒无线通信模块312，由无线通信模块312唤醒微控制器311，由微控制器311根据接收到的控制指令作出反应；当水开始流动时，唤醒微控制器311，使微控制器311处于工作状态，不断的采集水流流速信息，在间隔时间后，唤醒无线通信模块312，将该间隔时间内的水流流速信息发送到服务器端5进行处理。

根据图6-图7所示，本发明实施例采用的整流电路为整流桥D1，信号整形电路由限流电阻R1，上拉电阻R2，三极管VT1组成。

图8为本发明实施例在采用图6的电路后的波形示意图，流体发电装置1发出的交流电，波形如图A所示；经整流桥D1后，由电压极性为上正下负的交流电压转变为一个单方向的脉动电压，波形如图B所示，其原理是利用了二极管的单向导通，由四个二极管组成的整流桥D1又称为桥式整流电路，可得到全波整流电压；单方向的脉动电压经三极管VT1构成的信号整形电路，变成了矩形波，波形如图C所示，微控制器MCU上的I/O口接到三极管VT1的集电极上，当三极管VT1接收到的电压未达到导通电压，三极管VT1处于截止状态，集电极上电压为VCC，当三极管VT1接收到的电压达到导通电压后，三极管VT1导通，集电极上电压接近地，从而形成矩形波波形，对于单片机来说，处理矩形波波形相对比较简单，而且该信号整形电路的优点在于其周期频率不会发生变化，从而使矩形波周期与交流电周期一致。

根据1-图8可知，水流流速与水轮机14的转动周期成一定的正比关系，水轮机14与微型发电机12通过固定转轴13连接，则微型发电机12产生的交流电周期与水流流速呈正比关系，而交流电经信号整形电路后的矩形波周期与交流电的周期一样，所以微控制器311在接收到矩形波后，根据矩形波的周期可以得到交流电的周期，从而得出水流流速。

根据图9所示，本发明配合使用的服务器端根据水流流速所进行漏水检测的流程如下：

1、实时水流流速Vt与漏水预警流速值V0相比较，若Vt小于V0，则发出漏水预警，这是为了监测漏水量较少的情况，如水龙头未拧紧或水管滴水的现象，由于有水流动，但又处于滴水状态，所以其水流流速很低，且在一般情况下，人们在使用水的过程中，不会出现如此低的水流流速，则判断为持续少量漏水的现象

2、实时水流体积St与漏水预警体积值S0相比较，若St大于S0，则发出漏水预警，这是为了监测漏水量较多的情况，如水龙头一直开着忘记关或水管断裂的现象，此时，水流流速均匀且快，在未发觉的情况下一直处于漏水状态，则经过一定的时间后，所流过的水体积大于人们的日常使用的量，则判定为存在大量持续漏水的现象。

水流体积S是由得到的水流流速V乘以管道的断面面积A得到的流量Q=VA，通过对该段时间内的流量Q进行时间T的积分，即可得到水流体积S。

图10为本发明涉及的流体发电装置1的可选实施例；将流体发电装置1与管道4连接，在微型发电机12与外壳11之间设置有空腔16，使水流可以顺着空腔16流动。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近程自供电管道流体参数监控终端，包括流体发电装置（1）和储能监测装置（3），其特征在于：所述的流体发电装置（1）通过导线与储能监测装置（3）连接，所述的储能监测装置（3）包括智能控制板（31）和充电电池（32），所述的智能控制板（31）包括微控制器（311）、无线通信模块（312）和至少能同时检测流体温度和流体压力的复合传感器（313），所述的智能控制板（31）通过导线与充电电池（32）、流体发电装置（1）连接，所述的流体发电装置（1）连接在管道（4）上，将流体能量转换为电能，储存在充电电池（32）上，供智能控制板（31）工作，所述的微控制器（311）根据接收到的电信号得出流体流速信息，根据复合传感器（313）得到流体温度、流体压力信息，并控制无线通信模块（312）将流体参数实时发送到服务器端（5），所述的无线通信模块（312）为ZigBee模块或NRF模块或Bluetooth模块或红外模块，可实现近程无线传输。

2.根据权利要求1所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的流体发电装置（1）包括外壳（11）、微型发电机（12）、固定转轴（13）、水轮机（14）与管道接口（15），所述的微型发电机（12）通过固定转轴（13）与水轮机（14）连接，所述的微型发电机（12）包括转子（121）、定子（122），所述的定子（122）固定在外壳（11）上，所述的管道接口（15）包括进水口（151）与出水口（152），所述的进水口（151）、出水口（152）与管道（4）连接。

3.根据权利要求1所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的无线通信模块（312）可接收服务器端（5）上的控制信号，并将其信息传输到微控制器（311）上进行处理，从而控制整个监控器的工作状态。

4.根据权利要求1所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的智能控制板（31）包括电能收集电路、电池管理电路，所述的流体发电装置（1）经整流电路后与电能收集电路连接，所述的电能收集电路与电池管理电路连接，所述的充电电池（32）与电池管理电路连接。

5.根据权利要求4所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的微控制器（311）连接有信号整形电路，所述的信号整形电路经整流电路与流体发电装置（1）连接，所述流体发电装置（1）的产生的交流电波形经整流电路后变成脉动直流电波形，经信号整形电路后变成矩形波波形，所述的微控制器（311）接收到电信号的波形为矩形波。

6.根据权利要求5所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的矩形波周期与交流电周期一致或成正比关系。

7.根据权利要求2所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的微控制器（311）根据接收到的电信号得出流体流速信息的工作原理为：所述的管道（4）内的流体推动水轮机（14）旋转，通过固定转轴（13）带动转子（121）旋转，与定子（122）切割磁力线，产生交流电，交流电的频率与流体流速成正比关系，微控制器（311）根据接收到的电信号得出交流电频率，从而得到流体流速。

8.根据权利要求1所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的储能监测装置（3）上连接有指示灯（2），所述的指示灯（2）与微控制器（311）连接，起到电满指示以及电满时消耗电能的作用。

9.根据权利要求1所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的复合传感器（313）通过探头与管道（4）内的流体接触。

10.根据权利要求1所述的一种近程自供电管道流体参数监控终端，其特征在于：所述的充电电池（32）可替换为超级电容，所述的流体发电装置（1）经整流电路后与超级电容连接。