CN105806413A - 一种基于物联网的智能一体化仪表 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的智能一体化仪表，包括若干个智能一体化水电表单元，系统管理中心单元；所述若干个智能一体化水电表单元与系统管理中心单元通过4G连接，实现数据交互；所述智能一体化水电表单元包括智能一体化水表单元和智能一体化电表单元；所述智能一体化水表单元和智能一体化电表单元通过ZigBee连接。本发明的基于物联网的智能一体化表，将实现水、电的准确计量与阶梯计费，同时也将水力公司、电力公司实现水网、电网的信息化、自动化、互动化，并在水力公司、电力公司和用户之间构建起全新的供用水、供用电关系。

Description

一种基于物联网的智能一体化仪表
技术领域
本发明涉及智能一体化表，具体涉及一种基于物联网的智能一体化仪表。
背景技术
目前，近年来我国自来水事业得到了巨大发展，目前水管网用户约2000多万，并且还在逐年增加。当前大多数用户还使用传统的、老式的机械水表，无法实行阶梯水价、滴水计量。因此在这样一种形势下，推广应用智能水表，实行阶梯计费、推行节约用水，进而变革管理模式，必将带来巨大的社会效益、经济效益。
作为智能电网的重要智能终端——智能电表，在“十二五”期间招标已达7.9亿只，其市场超过1000亿元。智能电表是国家智能化用电环节的重要举措。目前国内使用的智能电表大都为预付费IC卡智能电表，这种电表虽然解决了人工抄表和收费难的问题，但却不具备信息采集的功能，无法实现电力企业、电表与用户三者之间数据的实时交互，不能服务于智能电网的实时监测和调控。
目前我国普通家庭用户计量含多种表计，如水表、电表、气表等。当前的状态是它们各自计量、计费，无法实行有效的统一管理。因此建设部要求将水、电、气的计量功能高度整合与有效集成，并迫切希望有一种全新的、一体化的多功能智能表计问世，以实现水、电、气的准确计量与高效管理。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于物联网的智能一体化仪表。
本发明采用的技术方案是：一种基于物联网的智能一体化仪表，包括若干个智能一体化水电表单元，系统管理中心单元；所述若干个智能一体化水电表单元与系统管理中心单元通过4G连接，实现数据交互；所述智能一体化水电表单元包括智能一体化水表单元和智能一体化电表单元；所述智能一体化水表单元和智能一体化电表单元通过ZigBee连接。
进一步地，所述能一体化水表单元包括第一微处理器单元、第一ZigBee模块单元、流量计传感器单元、温度传感器单元、实时时钟单元、电磁阀模块单元，所述第一微处理器单元分别连接ZigBee模块单元、流量计传感器单元、温度传感器单元、实时时钟单元、电磁阀模块单元。
更进一步地，所述智能一体化电表单元包括嵌入式微处理器单元、电能参数传感器单元、第二ZigBee模块单元、4G通信模块单元、实时时钟单元、LCD显示器、继电器单元，所述嵌入式微处理器单元分别连接电能参数传感器单元、第二ZigBee模块单元、4G通信模块单元、实时时钟单元、LCD显示器、继电器单元。
更进一步地，所述智能一体化电表单元具有用电信息的智能感知与自动采集，以及用电阶梯计费、用水阶梯计费与实时显示功能，并将采集的电能参数与设定值进行比较、判定，在参数超过设定值，则自行预警，并及时断电，保护电气设备；将用户的用水、用电信息定时向系统管理中心单元发送，也能接收系统管理中心单元发送的控制指令，并执行操作及控制；同时，也自动生成半峰时间、峰值时间、方差、陡峭度、三相波形相似度、峰值因子、脉冲因子、裕度系数等用电参数，并形成表格、曲线、饼图、棒图等直观图表，以方便用户查看。
更进一步地，所述LCD显示器用以显示电压参数、电流参数、电能参数、阶梯电费、水流总量、阶梯水费；同时，也显示半峰时间、峰值时间、方差、陡峭度、三相波形相似度、峰值因子、脉冲因子、裕度系数等用电参数，并显示表格、曲线、饼图、棒图等直观图表。
更进一步地，所述系统管理中心单元包括用户用电模块单元、用户用水模块单元、水费单元、电费单元、水费存储单元、电费存储单元、水费汇总单元、电费汇总单元、分类单元、判定与预警处理单元、控制单元、查询单元及显示单元。
更进一步地，所述智能一体化表实现水量、电量的智能感知与实时采集，并自动对用水、用电实行阶梯实时计费、实时在线显示；将所采集的用水、用电信息自动存储并把相关信息通过4G发送给系统管理中心单元；智能一体化表也能接收系统管理中心单元发的控制指令，并执行控制操作；用户也能采用短信方式通过智能一体化表来主动查询用水、用电及费用信息。
本发明的优点：
本发明的基于物联网的智能一体化表，将实现水、电的准确计量与阶梯计费，同时也将水力公司、电力公司实现水网、电网的信息化、自动化、互动化，并在水力公司、电力公司和用户之间构建起全新的供用水、供用电关系，促进整个社会资源消费结构的转变，提高资源利用效率和减少资源浪费，有效推动低碳电力、水力、低碳能源乃至低碳经济的发展，从而提升我国水力、电力公司的供水、供电服务水平与管理水平。一体化表更加节能、省电、环保。
同时，基于物联网的智能一体化表也能自动生成半峰时间、峰值时间、方差、陡峭度、三相波形相似度、峰值因子、脉冲因子、裕度系数等用电参数，并形成表格、曲线、饼图、棒图等多样化直观图表，以方便用户查看。此外，用户还可调出一年前的历史数据与历史记录，便于用户分析，以选择最适宜的用水、用电方式。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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。
图1是本发明的一种基于物联网的智能一体化仪表框图；
图2是本发明的一种基于物联网的智能一体化仪表的智能一体化水表框图；
图3是本发明的一种基于物联网的智能一体化仪表的智能一体化电表框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1至图3，如图1至图3所示的一种基于物联网的智能一体化仪表，包括若干个智能一体化水电表单元，系统管理中心单元；所述若干个智能一体化水电表单元与系统管理中心单元通过4G连接，实现数据交互；所述智能一体化水电表单元包括智能一体化水表单元和智能一体化电表单元；所述智能一体化水表单元和智能一体化电表单元通过ZigBee连接。
所述能一体化水表单元包括第一微处理器单元、第一ZigBee模块单元、流量计传感器单元、温度传感器单元、实时时钟单元、电磁阀模块单元，所述第一微处理器单元分别连接ZigBee模块单元、流量计传感器单元、温度传感器单元、实时时钟单元、电磁阀模块单元。
所述智能一体化电表单元包括嵌入式微处理器单元、电能参数传感器单元、第二ZigBee模块单元、4G通信模块单元、实时时钟单元、LCD显示器、继电器单元，所述嵌入式微处理器单元分别连接电能参数传感器单元、第二ZigBee模块单元、4G通信模块单元、实时时钟单元、LCD显示器、继电器单元。
所述智能一体化电表单元具有用电信息的智能感知与自动采集，以及用电阶梯计费、用水阶梯计费与实时显示功能，并将采集的电能参数与设定值进行比较、判定，在参数超过设定值，则自行预警，并及时断电，保护电气设备；将用户的用水、用电信息定时向系统管理中心单元发送，也能接收系统管理中心单元发送的控制指令，并执行操作及控制。同时，也自动生成半峰时间、峰值时间、方差、陡峭度、三相波形相似度、峰值因子、脉冲因子、裕度系数等用电参数，并形成表格、曲线、饼图、棒图等多样化直观图表，以方便用户查看。
所述LCD显示器用以显示电压参数、电流参数、电能参数、阶梯电费、水流总量、阶梯水费。同时，也显示半峰时间、峰值时间、方差、陡峭度、三相波形相似度、峰值因子、脉冲因子、裕度系数等用电参数，并显示表格、曲线、饼图、棒图等多样化直观图表，以方便用户查看。
此外，用户还可调出一年前的历史数据与历史记录，便于用户分析，以选择最适宜的用水、用电方式。
所述系统管理中心单元包括用户用电模块单元、用户用水模块单元、水费单元、电费单元、水费存储单元、电费存储单元、水费汇总单元、电费汇总单元、分类单元、判定与预警处理单元、控制单元、查询单元及显示单元。
系统管理中心单元是一款基于PC机的管理软件系统，接收各个智能一体化表发来的用水、用电及费用信息，并实行存储、汇总、分类、判定与预警等处理。也能根据实际情况，进行远程控制某一个或多个智能一体化表。同时，也可主动向智能一体化表发送查询指令。此外，用户可通过网络登录该系统管理中心的页面，主动查询其用水、用电及相关费用信息。这样有助于用户选择最适宜的用水、用电方式，从而节约用水、用电，以促成我国为节约型国家。
所述智能一体化表实现水量、电量的智能感知与实时采集，并自动对用水、用电实行阶梯实时计费、实时在线显示；将所采集的用水、用电信息自动存储并把相关信息通过4G发送给系统管理中心单元；智能一体化表也能接收系统管理中心单元发的控制指令，并执行控制操作；用户也能采用短信方式通过智能一体化表来主动查询用水、用电及费用信息。
智能一体化水表单元实现水流量自动采集，并将所采集的信息通过ZigBee实时传送给信息采集处理系统。同时，也可接收信息采集处理系统发来的控制指令(如关闭电磁阀等)，并执行相应的控制操作。此外，还需要感知水的温度，特别是在寒冷的冬天时需快速判断自来水是否已结冰，所以需要温度传感器。
功能模块说明：
流量计传感器：
流量计传感器选用QH-03，该传感器的工作电压为3-18VDC，流量特性与精度为(8.1×Q-3)±10％，耐水压为≤1.75Mpa，介质流体温度为0-60℃(流体非结冰条件下)，输出为脉冲信号。
电磁阀：
电磁阀选用常开型DCF-HTX16，其性能参数为：最高动作频率：3次/秒；最高耐压等级：12kgf/cm2；适合的环境温度：-15-75℃；工作电压为+12V。
ZigBee无线通信模块：
ZigBee无线通信模块选用DRF1607H。该模块是与IEEE802.15.4兼容，易于使用且具有极低的功耗，以及提供设备间关键数据的可靠传输。而且它小巧的外形条件有效的节省了板卡空间。同时，该模块工作在ISM2.4GHz频率波段，该模块的默认配置支持宽范围的数据系统应用。可通过AT命令进行高级配置。
第一微处理器：
由于智能水表单元所采集的数据量少，其运算量也小，并且ZigBee传输速率低，因此所需的微处理器功能并不需要非常强大，采用LPC811M001就足矣。该微处理器是基于ARMCortex-M0+的低成本32位MCU系列产品，工作时CPU频率高达30MHz。LPC811M001支持8kB的闪存和2kB的SRAM。其外设包括：1个CRC引擎、1个I2C总线接口、2个USART、1个SPI接口、1个多速率定时器、自唤醒定时器、状态可配置定时器、1个比较器、1个输入模式匹配引擎和14个通用I/O引脚。
电能参数计量模块：电能参数计量采用LT-135模块，该模块连续无故障工作时间超过5000小时，准确度优于国家0.5s级标准，该模块可以测量40-65Hz的交流电压、电流、功率、电能、功率因数、频率等众多电能参数。其准确度等级：有功0.5s，无功2.0。测量电压：100V-460VAC。测量电流：2-150A。使用时先通过光电耦合器与外界输入的220V交流电隔离，用感应方式来采集电能数据，通过计量模块的TXD发送端用串口方式将数据发送给嵌入式微处理器，然后数据经过处理显示在LCD屏幕上。通信模块：4G无线通信采用MC7710模块。该模块支持LTE,DC-HSPA+,HSPA+,HSDPA,HSUPA,WCDMA,GSM,GPRS,EDGE网络，同时也支持800MHz，900MHz，1900MHz，2100MHz,2600MHz等多种频率。具有随时随地连接互联网、收发短信息、无线传输语音信息等功能，可采用PCIExpressMiniCard接口或USB接口与外部微处理器进行数据通信。利用AT指令，通过MC7710的USB串行接口对其进行读写操作控制。MC7710的U_dat、U_clk、U_rst分别与UIM卡座的Data、Clock、Reset引脚相连。
LCD显示屏：
LCD显示屏采用OCM320240T28。该显示屏是一款采用32位RSIC-MCU的64K色的TFT真彩显示屏，可以直接和具有UART串行接口的微处理器连接。用户只需通过串口向终端发命令，便可完成相应的操作。其主要特点如下：
⑴16位真彩色显示(65536色)；⑵采用UART串行接口，支持多种通讯波特率，从1200bps到921600bps，默认波特率为19200bps，支持TTL电平和RS-232电平；⑶内置FLASH存储器，可存放455幅320*240像素的图片；⑷支持UNICODE/BIG5/GB系列字库(字体大小:8*16/12*24/16*32ASCII码；16*16/24*24/32*32汉字)；⑸支持使用通用的电脑串口测试软件把图片数据、页面数据预先下载到终端内部的图片存储区。
嵌入式微处理器：
由于电能参数计量模块需要1个UART接口，LCD显示屏需要1个UART接口，ZigBee无线通信模块同样也需要1个UART接口，而MC7710需要1个USB接口，故所选用微处理器必须至少满足上述接口。同时，还需要1个实时时钟RTC。因此综合上述因素，微处理器选用嵌入式微处理器TM4C1233E6PM。该芯片是基于ARMCortex-M4F内核的嵌入式微处理器，其带有128KB的Flash内存，2KB的E2PROM，32KB的RAM，含有8个UART接口，1个USB接口，I/O口达43个，工作频率可达80MHz，同时还含有1个实时时钟，采用64LQFP封装。这样设计，系统体积小，可靠性高。
本发明的的社会效益与经济效益：
我国智能电网进入全面建设阶段，对智能电表产生了巨大市场需求。全球著名市场研究机构派克咨询公司预计到2015年我国共约有4.51亿户家庭，如每户都需安装智能电表，到2015年全国累计需安装5.11亿只智能电表，其中更换需求为0.59亿只。2011年，国家电网公司经营区域大约有3.4亿户家庭。如全覆盖，国家电网公司至2015年需累计招标4.2亿只智能电表。其中，城市家庭需安装1.89亿只智能电表，农村家庭需安装2.31亿只智能电表。因此，智能电表将产生巨大的社会效益与经济效益。
本发明的基于物联网的智能一体化仪表，将实现水、电的准确计量与阶梯计费，同时也将水力公司、电力公司实现水网、电网的信息化、自动化、互动化，并在水力公司、电力公司和用户之间构建起全新的供用水、供用电关系，促进整个社会资源消费结构的转变，提高资源利用效率和减少资源浪费，有效推动低碳电力、水力、低碳能源乃至低碳经济的发展，从而提升我国水力、电力公司的供水、供电服务水平与管理水平。一体化表更加节能、省电、环保。
同时，基于物联网的智能一体化表也能自动生成半峰时间、峰值时间、方差、陡峭度、三相波形相似度、峰值因子、脉冲因子、裕度系数等用电参数，并形成表格、曲线、饼图、棒图等多样化直观图表，以方便用户查看。此外，用户还可调出一年前的历史数据与历史记录，便于用户分析，以选择最适宜的用水、用电方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于物联网的智能一体化仪表，其特征在于，包括若干个智能一体化水电表单元，系统管理中心单元；所述若干个智能一体化水电表单元与系统管理中心单元通过4G连接，实现数据交互；所述智能一体化水电表单元包括智能一体化水表单元和智能一体化电表单元；所述智能一体化水表单元和智能一体化电表单元通过ZigBee连接。
2.根据权利要求1所述基于物联网的智能一体化仪表，其特征在于，所述能一体化水表单元包括第一微处理器单元、第一ZigBee模块单元、流量计传感器单元、温度传感器单元、实时时钟单元、电磁阀模块单元，所述第一微处理器单元分别连接ZigBee模块单元、流量计传感器单元、温度传感器单元、实时时钟单元、电磁阀模块单元。
3.根据权利要求1所述基于物联网的智能一体化仪表，其特征在于，所述智能一体化电表单元包括嵌入式微处理器单元、电能参数传感器单元、第二ZigBee模块单元、4G通信模块单元、实时时钟单元、LCD显示器、继电器单元，所述嵌入式微处理器单元分别连接电能参数传感器单元、第二ZigBee模块单元、4G通信模块单元、实时时钟单元、LCD显示器、继电器单元。
4.根据权利要求1所述基于物联网的智能一体化仪表，其特征在于，所述智能一体化电表单元具有用电信息的智能感知与自动采集，以及用电阶梯计费、用水阶梯计费与实时显示功能，并将采集的电能参数与设定值进行比较、判定，在参数超过设定值，则自行预警，并及时断电，保护电气设备；将用户的用水、用电信息定时向系统管理中心单元发送，也能接收系统管理中心单元发送的控制指令，并执行操作及控制；同时，也自动生成半峰时间、峰值时间、方差、陡峭度、三相波形相似度、峰值因子、脉冲因子、裕度系数等用电参数，并形成表格、曲线、饼图、棒图等直观图表，以方便用户查看。
5.根据权利要求3所述基于物联网的智能一体化仪表，其特征在于，所述LCD显示器用以显示电压参数、电流参数、电能参数、阶梯电费、水流总量、阶梯水费；同时，也显示半峰时间、峰值时间、方差、陡峭度、三相波形相似度、峰值因子、脉冲因子、裕度系数等用电参数，并显示表格、曲线、饼图、棒图等直观图表。
6.根据权利要求1所述基于物联网的智能一体化仪表，其特征在于，所述系统管理中心单元包括用户用电模块单元、用户用水模块单元、水费单元、电费单元、水费存储单元、电费存储单元、水费汇总单元、电费汇总单元、分类单元、判定与预警处理单元、控制单元、查询单元及显示单元。
7.根据权利要求1所述基于物联网的智能一体化仪表，其特征在于，所述智能一体化表实现水量、电量的智能感知与实时采集，并自动对用水、用电实行阶梯实时计费、实时在线显示；将所采集的用水、用电信息自动存储并把相关信息通过4G发送给系统管理中心单元；智能一体化表也能接收系统管理中心单元发的控制指令，并执行控制操作；用户也能采用短信方式通过智能一体化表来主动查询用水、用电及费用信息。
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