CN107340021A - 一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，结构简单，组网方便，依托于检测准确高效的智能水表，能够高效、智能、低成本的实现智能远传水表系统。所述系统包括依次连接的上位机和服务器，通过GPRS网络连接在服务器上的多个Zigbee主节点，以及每个Zigbee主节点上连接的多个智能水表；智能水表包括Zigbee子节点，以及经管路串联的机械旋翼式水表本体和电动阀门；所述智能水表的Zigbee子节点与对应连接的Zigbee主节点交互通信。

Description

一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统

技术领域

本发明涉及远传水表系统，具体为一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统。

背景技术

随着近年来信息技术与电子技术的飞速发展，因此设计与实现一种可通信、低功耗、计量精确方便的智能水表己经变为可能。

长期以来，我国城镇居民所使用的水表普遍是普通机械旋翼湿式水表，这种水表价格低廉，性能比较稳定，但是还采用人工抄表、按户收费的模式。此方式存在着工作量大，收费周期长，收费困难，效率低下等缺点。从长远看，随着传感器技术水平的提离和产业化应用的深入，各高档流量计技术，如超声波流量计、电磁流量计等将会广泛应用于水表的设计和使用中，此技术开发的水表，结构简单，真正实现了无机械传动，长寿命(等同于元器件寿命或管道寿命)，精确计量的量程广(等同于安装管道的流通能力)等优点。双向实时是对系统通讯与网络技术的要求，智能水表系统的使用者是水务营理者和用户，该系统应用水平的高低取决了双向互动交流的程度及双向沟通的实时性。

现有技术中的远传水表系统结构复杂，成本较高，组网不够灵活，在最初确定后就无法进行大规模的改变，于此同时，智能水表的检测也存在不准确的问题，而且当出现相应故障时无法报警和关闭阀门。影响了建立由远程集抄的数据通讯网络以及相应的后台数据处理所构成的智能水表系统的推广，以及智能水表应用的广度和深度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，结构简单，组网方便，依托于检测准确高效的智能水表，能够高效、智能、低成本的实现智能远传水表系统。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，包括依次连接的上位机和服务器，通过GPRS网络连接在服务器上的多个Zigbee主节点，以及每个Zigbee主节点上连接的多个智能水表；

所述的智能水表包括Zigbee子节点，以及经管路串联的机械旋翼式水表本体和电动阀门；Zigbee子节点包括设置在机械旋翼式水表本体上的流量检测单元，连接在流量检测单元输出端的控制芯片，控制芯片输出端连接的阀门电机驱动电路；阀门电机驱动电路的输出端连接电动阀门的控制端；

所述的流量检测单元包括第一检测单元和第二检测单元，第一检测单元设置在机械旋翼式水表本体的叶轮上并输出第一脉冲信号，第二检测单元设置在机械旋翼式水表本体的0.01m³指示位上并输出第二脉冲信号；流量检测单元用于根据两个脉冲信号输出对应的两个流量信号；控制芯片用于将两个流量信号中的流量做差后与设定阈值对比，超过阈值则通过阀门电机驱动电路使电动阀门关闭并输出报警信号，否则输出流量平均值作为检测流量；

所述智能水表的Zigbee子节点与对应连接的Zigbee主节点交互通信。

优选的，第一检测单元包括机械旋翼式水表本体的叶轮上安装的磁钢，以及与磁钢配合的干簧管或霍尔传感器；干簧管或霍尔传感器安装在机械旋翼式水表本体上，干簧管或霍尔传感器输出频率脉冲作为第一脉冲信号用于水流量的计量。

优选的，第二检测单元包括设置在机械旋翼式水表本体的0.01m³指示位上的磁敏元件；当0.01m³指示位的指针转动一圈，磁敏元件产生一个脉冲信号作为第二脉冲信号用于0.01m³水流量的计量。

优选的，控制芯片上分别连接有电源电路、卡接口电路和显示单元；电源电路用于为Zigbee子节点进行供电，卡接口电路用于提供连接水卡连接端口，LCD显示单元连接在控制芯片输出端，用于显示智能水表的参数信息。

进一步的，所述的电源电路包括MAX653芯片，以及并联在MAX653芯片供电端的电池电源电路和交流电源电路；MAX653芯片的输出端输出+3V的直流或交流电源。

优选的，所述的控制芯片上设置有存储器，用于储存输出的报警信号和检测流量。

进一步的，所述的控制芯片采用CC2530芯片。

优选的，服务器分别通过串口通信模块与Zigbee主节点连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过Zigbee主节点、Zigbee无线网络和设置在智能水表上的Zigbee子节点完成Zigbee的自组网，为智能远传水表系统提供可行的解决方案；通过Zigbee协议实现本地无线网络的互联，通过GPRS技术与外部网络实现互联，实现了本地网和外部网的互通，资源的共享。实现可通信、低功耗、计量精确方便的智能远传水表系统；同时通过两个检测单元检测不同位置处的对流量的计量，通过简单的逻辑运算快速准确高效的完成流量的计量工作，大大提高供水管理部口的工作效率、节约费用，用以改善供水设施，提高居民饮水质量；同时还能为加强自来水使用的监督管理提供手段，从而在技术上为节约用水合理用水创造条件。本发明将ZigBee无线传输技术、传感器检测技术和GPRS技术进行完美结合，简化仪表电路，通过现有机械结构和Zigbee子节点的有机结合提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的，将更快的使智能水表走进千家万户。

进一步的，通过设置的磁钢和相配合的干簧管或霍尔传感器实现第一检测单元的检测，结构简单，体积小巧，不用改变原有机械结构，检测快捷方便；通过磁敏元件对机械旋翼式水表本体上最小指示位的转动进行检测，从而精确的对0.01m³水流量的计量；两者都基于同一个机械结构，能够准确反应流量本身的数据，极大的减小了误差。

进一步的，控制芯片上设置的各种辅助电路能够实现智能水表的各种功能，满足智能远传水表系统的要求。

附图说明

图1本发明实例中所述基于Zigbee网络的智能水表系统的总体构架图。

图2本发明实例中所述上位机与服务器连接后的查询界面示意图。

图3本发明实例中所述智能水表的电源电路图。

图4本发明实例中所述智能水表的总体结构框图。

图5本发明实例中所述智能水表的控制芯片CC2530的最小系统原理图

图6本发明实例中所述的基于Zigbee网络的智能远传水表系统的数据流向图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明采用的Zigbee网络是—种面向低成本无线组网的技术，它是一种近距离、低成本、低功耗、低速率的无线通讯技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。Zigbee技术的低成本、低功耗是其最大的优势，如支持Zigbee协议的硬件价格在50元以下，集成芯片的平均工作电流仅有10多毫安，它的功耗还小于8位单片机。

本发明将Zigbee无线通讯方式、GPRS无线通讯方式、传输网络的建立和数据采集传输技术进行有机的结构实现智能远传水表系统，通过基于Zigbee网络的智能水表中设置Zigbee子节点，完成数据采集、远传和智能供电。如图5所示，配合使用TI公司的CC2530芯片做为控制芯片，实现51单片机内核的控制功能与在Zigbee协议栈上的Zigbee网络组网。

如图4所示，本发明中通过智能水表的流量检测单元进行信息采集，第一检测单元能够采用机械旋翼式水表本体的叶轮上安装的磁钢，以及与磁钢配合的干簧管或霍尔传感器，磁钢设置在旋翼式的叶轮上，结构简单、测量范围宽、灵敏度高、外形尺寸小。通过在叶轮上磁钢的转动，通过机械旋翼式水表本体上的干簧管或霍尔传感器进行脉冲输出。系统启动后，首先进行初始化；CC2530芯片对第一检测单元的霍尔传感器产生的脉冲进行读操作，作为速度的计数脉冲值，根据计数脉冲值，计算速度值得到流量值。

通过CC2530芯片的IO口中断，对转速脉冲进行计数。采用自身定时器进行计时，每隔一秒读一次由外部中断产生的计数值，此值即为脉冲信号的频率，当叶轮转动带动磁体转动时，霍尔传感器便在与磁铁相对时获得一个脉冲信号。这个脉冲经过光电耦合后接到CC2530的IO口，一个脉冲引起一次中断，让计数器加1。

第二检测单元的磁敏元件安装在机械旋翼式水表本体的0.01m³指示位上，使0.01m³位转1圈，磁敏元件上产生1个脉冲信号，即0.01m³水量对应1个脉冲。

采用两个检测单元对脉冲信号进行采集，有效地防止抖动产生的多计数现象。通过控制芯片中的逻辑判断，判断两个传感器是否工作正常，控制芯片用于将两个流量信号中的流量做差后与设定阈值对比，超过阈值则通过阀门电机驱动电路使电动阀门关闭并输出报警信号，否则输出流量平均值作为检测流量；输出报警信号则不正常，认为是外界磁干扰，关闭阀门。所采集的信号，由Zigbee的CC2530芯片中的寄存器所记录和处理。

如图1所示，通过Zigbee子节点和Zigbee主节点经Zigbee无线网络的连接实现数据的传输，通过每个Zigbee子节点上的电源电路对智能水表进行供电。利用Zigbee技术组成的无线区域网(WPAN)是一种低速率的无线区域网(LR-WPAN)，这种低速率无线区域网的网络结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。Zigbee无线网络传来的数据由Zigbee主节点数据集中一起传到GPRS网络，然后再由GPRS网络上传到服务器进一步对数处理分类。

如图3所示，电源电路中的供电方式采用两种方式:一是采用交流直接供电；二是采取充电电池供电。电源电路输出3.0V交流电直接供电或3.0V充电电池供电，当220V直接供电断电时则选用充电电池供电。

如图6所示，通过服务器实现对数据的存储以及与上位机和下位机的交互；利用上位机将Zigbee采集的数据由GPRS网络传到服务器中，进行对数据的操作，如图2所示，上位机通过用户界面模块实现交互，下位机通过串口通信模块实现交互。这两个模块都需要通过数据库进行交互。下位机将采集到的数据通过Java串口程序将数据存储在数据库中，用户经上位机通过用户操作界面来访问数据库。服务器的数据能够分享到互联网，用户不仅可以从水表上查看信息，还可以在互联网的登录查询。

智能水表的显示单元使用LED显示屏，驱动电路采用单片机138集成芯片去驱动显示屏显示所需要的信息，为了低功耗，在用户不查询是显示屏和驱动电路则处于休眠状态。

本发明中的智能水表具有数据采集、信息显示和监控功能；上位机能够通过服务器中录入用户资料，统计用户用水量和交费情况；通过Zigbee网络能够定时或随时抄收集中器的数据，对数据进行加工处理；查询智能网络水表的运行情况，观察用户水表的运行状态；并且通过互联网与上位机的连接，用户也可以通过互联网登录服务器来查询自己本月和以前的用水情况和缴费情况。此外，服务器还能够和银行联网，同时将表计数据传输给银行，由银行从用户在该行的存款账户上扣费，或用移动支付的方式进行支付。

Claims (8)

1.一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，其特征在于，包括依次连接的上位机和服务器，通过GPRS网络连接在服务器上的多个Zigbee主节点，以及每个Zigbee主节点上连接的多个智能水表；

所述的智能水表包括Zigbee子节点，以及经管路串联的机械旋翼式水表本体和电动阀门；Zigbee子节点包括设置在机械旋翼式水表本体上的流量检测单元，连接在流量检测单元输出端的控制芯片，控制芯片输出端连接的阀门电机驱动电路；阀门电机驱动电路的输出端连接电动阀门的控制端；

所述的流量检测单元包括第一检测单元和第二检测单元，第一检测单元设置在机械旋翼式水表本体的叶轮上并输出第一脉冲信号，第二检测单元设置在机械旋翼式水表本体的0.01m³指示位上并输出第二脉冲信号；流量检测单元用于根据两个脉冲信号输出对应的两个流量信号；控制芯片用于将两个流量信号中的流量做差后与设定阈值对比，超过阈值则通过阀门电机驱动电路使电动阀门关闭并输出报警信号，否则输出流量平均值作为检测流量；

所述智能水表的Zigbee子节点与对应连接的Zigbee主节点交互通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，其特征在于，第一检测单元包括机械旋翼式水表本体的叶轮上安装的磁钢，以及与磁钢配合的干簧管或霍尔传感器；干簧管或霍尔传感器安装在机械旋翼式水表本体上，干簧管或霍尔传感器输出频率脉冲作为第一脉冲信号用于水流量的计量。

3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，其特征在于，第二检测单元包括设置在机械旋翼式水表本体的0.01m³指示位上的磁敏元件；当0.01m³指示位的指针转动一圈，磁敏元件产生一个脉冲信号作为第二脉冲信号用于0.01m³水流量的计量。

4.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，其特征在于，控制芯片上分别连接有电源电路、卡接口电路和显示单元；电源电路用于为Zigbee子节点进行供电，卡接口电路用于提供连接水卡连接端口，LCD显示单元连接在控制芯片输出端，用于显示智能水表的参数信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，其特征在于，所述的电源电路包括MAX653芯片，以及并联在MAX653芯片供电端的电池电源电路和交流电源电路；MAX653芯片的输出端输出+3V的直流或交流电源。

6.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，其特征在于，所述的控制芯片上设置有存储器，用于储存输出的报警信号和检测流量。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，其特征在于，所述的控制芯片采用CC2530芯片。

8.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee网络的智能远传水表系统，其特征在于，服务器分别通过串口通信模块与Zigbee主节点连接。