CN108801383A - 基于NB-IoT的无磁智能水表 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于NB‑IoT的无磁智能水表，涉及物联网水表领域。该水表采用无磁采样与主控电路板分离的方式实现水表流量的精确采集与处理，同时，壳体设计可实现窄带物联网网络抄表。本表包括壳体、无磁PCB板采样计量机构、单片机控制电路板、机械水表和电池盒等，它集控制机械、主控电路与无磁采样电路为一体，实现数据信息的通讯与交换传输，电池盒采用横向设计，大大节约了水表外壳的设计空间和水表的经济成本。采用物联网和无磁采样的方式使得本表智能性和精确性均得到大幅度提升，同时，水表的稳定性和数据可传输性极高，是新一代物联网智能水表的象征。

Description

基于NB-IoT的无磁智能水表
技术领域
本发明涉及物联网水表，具体涉及一种基于NB-IoT技术的无磁智能水表。
背景技术
随着工业的不断发展，对于科学技术的要求愈发严苛，而工业及产品的智能化成为高新信息科技的主流的同时，更是每一个高新产业低位的象征。智能水表作为智能家居的主导产品之一，计量准确、操作简单、可实施性及安全可靠性高成为专业团队必须解决的核心。
传统的M-BUS总线通信和无线通信技术存在着信号覆盖范围小及功耗大的问题，从而不能很好地满足水表流量自动上报的需求。而窄带物联网(Narrow Band Internet ofThings,NB-IoT)技术恰恰适用于低功耗广域网市场，有望实现物联网智能水表及终端的低功耗、低成本、覆盖范围广、无需自组网及网络接入易实现等迫切要求。如今，将支持NB-IoT技术的u-blox模组内嵌至水表中，使水表介入至移动网络中，成为智能水表的必然趋势，从而在远程抄表业务中占有主导地位。
发明内容
发明目的：本发明专利的目的在于提供一种基于NB-IoT的无磁智能水表，采用无磁采样与主控电路板分离的方式实现水表流量的精确采集与处理，同时，可实现NB网络抄表。
技术方案：一种基于NB-IoT的无磁智能水表，采用无磁计量和机电一体化设计，其外部由防护盖、上壳体、下壳体和机械水表构成，防护盖与下壳体之间采用卡扣固定，上壳体和下壳体用卡扣和螺丝两种方式固定为整个壳体，壳体与机械水表采用转动轴连接；下壳体中设置有容置腔，单片机控制电路板与无磁PCB板连接后放置于下壳体的容置腔内，并与下壳体采用卡扣和螺丝两种方式固定后灌胶密封。
优选地，该基于NB-IoT的无磁智能水表还包括电池盒，电池盒横向设置于下壳体上，电池则置于电池盒内，采用电池卡扣固定。
优选地，电池与单片机控制电路板之间可拆卸连接。
优选地，单片机控制电路板与无磁PCB板之间采用导线连接，且共用电池。
优选地，上壳体包含透明窗和天线腔。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本表采用可拆卸电池的方式，实现了电池更换的易操作性、安全性和便捷性，同时，电池的横向设计大大节约了水表外壳的设计空间，更更节约了整款水表的经济成本。
(2)在防护壳与下壳体之间采用卡扣设计，使得水表的机械读数具有可视性，同时，便捷性大幅度提升。
(3)使用透明窗，实现了壳体内电路板信号及工作状态的可视性和可监测性。
(4)采用天线腔，使得天线固定有方，从而对整个水表的信号稳定性提供了保障。
(5)无磁采样设计——无磁PCB板，极大程度上提高了水表计量的精确性和智能性。
(6)无磁采样与单片机主控电路采用分离的形式，为机械水表的钢片感应提供了极大的便利，同时也避免了两处PCB板衔接时成本的浪费。
(7)上下壳体衔接紧凑，且占用空间极小，节约表壳成本的同时，也为整款水表的造型设计做出了贡献，更为水表的使用和防护带来了极大的便利。
附图说明
图1为基于NB-IoT的智能水表结构爆炸图；
图2为基于NB-IoT的智能水表装配完成结构图；
图3为基于NB-IoT的智能水表控制电路框图；
图4为基于NB-IoT的智能水表的无磁采样电路原理图。
图例说明：1、防护盖；2、卡扣；3、下壳体；4、机械水表；5、电池卡扣；6、电池盒；7、单片机控制电路板(接天线)(容置腔)；8、无磁PCB板(容置腔)；9、上壳体；10、天线腔；11、透明窗。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中间”、“上”、“下”、“横向”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，基于NB-IoT的智能水表采用计量和机电一体化设计，其外部由防护盖1、上壳体9、下壳体3和机械水表4构成，卡扣2则用于实现防护盖1和下壳体3的衔接而产生，方便查看机械水表示数。上壳体9包含透明窗11和天线腔10，透明窗11可以实现信号灯状态的实时监测，天线腔10则用于单片机控制电路板7上天线的容置，使得天线固定有方，从而为水表和NB网络之间实现数据或命令的接收/发送的信号稳定性提供了保障。单片机控制电路板7与无磁PCB板8采用导线连接后放置于下壳体3的容置腔内，并与下壳体3采用卡扣和螺丝两种方式固定后灌胶密封。单片机控制电路板7与无磁PCB板8共用电源(电池)，两者之间采用导线连接，从而实现两者之间的计量数据信息的交换传输。单片机控制电路板采用MSP430F系列单片机，作为一种超低功耗控制器，该系列单片机可以在1.8-3.6V的低电压情况下工作。
电池盒6采用横向设计，电池则置于电池盒6内，节约表壳设计空间的同时，更节约了水表的经济成本，电池安装完成后，采用电池卡扣5固定，与单片机控制电路板7的连接采用可拆卸设计，电池更换更易操作、安全性和便捷性也更高。上壳体9和下壳体3用卡扣和螺丝两种方式固定为整个壳体；壳体与机械水表4采用转动轴连接。装配完成后水表如图2所示。
参照图3，该水表的控制电路包括单片机控制电路、无磁采样电路、红外收发电路和NB-IoT模组，以单片机控制电路为核心，分别与无磁采样电路、红外收发电路和NB-IoT模组相连接，实现信息及数据的交互与通讯。结合图1，红外收发电路和NB-IoT模组是单片机控制电路板7的组成部分，无磁采样电路即无磁PCB板8，受单片机控制电路的控制。其中，无磁采样电路以无磁传感方式采集水流量，并通过红外收发电路和NB-IoT模组将水表数据上传至用户终端和管理中心。在一个实施例中，无磁采样电路采样原理为：无磁PCB板8包括一个主发射线圈，四个桥式感应线圈，当机械水表4的钢片经过感应线圈时，会造成不同的感应桥臂之间不一致，通过检测桥臂之间的差异即可感应出钢片所在位置，从而得到精确的计量数据。
在另一个实施例中，无磁采样电路利用LC振荡电路进行采样。在一般的振荡电路中，首先让电容器充满电，然后通过开关切换将电容器单独串联到和电感器组成的回路中。如果忽略电感器的电阻和回路所有损耗，则构成一个无损耗的LC回路的理想情况。这时电感器的磁能应等于电容器放电前的电能，理想情况下的LC回路的自由振荡将无休止进行下去。而实际上振荡总是有衰减的，利用振荡衰减程度的不同判断当前传感器所处的状态，就可以达到测量水量的目的。参照图4，在机表中安装一个随水的流动而转动的圆盘，该圆盘上有一半是镀有导电性好的金属，另一半没有镀金属，当流体流动带动转盘转动时，电感在转盘表面的位置也随转盘转动而交替变化。单片机控制电路的内部扫描模块能够在低功耗下自动检测转盘的旋转。具体地，单片机内部扫描模块的模拟前端定时给LC回路激励脉冲信号，使其具有一定能量后再断开激励电路，此时LC电路产生阻尼振荡，振荡总产生在镀金属的半边圆盘上或未镀金属的半边圆盘上。由于能量的损失振荡总是不断衰减，遵循以下公式：
V(t)＝V0·e-δt·cosωt
式中，V(t)为振荡电压；ω为衰减振荡中角频率，单位rad/s；V0为激励电压；δ为阻尼系数，阻尼振荡中的角频率取决于阻尼系数，即为LC回路谐振的角频率。可以看出，如果镀金属的半边圆盘处于电感线圈磁场内，衰减振荡频率将受影响，衰减更快。这样可以把不同的振荡波形转换为单片机可以识别的二进制信号，从而实现高低电压的判别。基于此，利用两个LC回路，通过高低电平变化判断旋转方向，测出水流的流向，再基于转盘旋转方向和转动圈数，得出流过的水量。
红外收发电路和NB-IoT模组用于将单片机计算结果传送至用户终端或管理中心。红外收发电路可以实现红外遥控，例如用户终端为含有相对应红外收发器的遥控器，与红外收发电路交互数据，用户可以了解水量使用情况。NB-IoT模组通过NB-IoT网络与管理中心相连，NB-IoT技术基于移动蜂窝网络，具有覆盖广、信号强和功耗低的优点，每一个NB-IoT基站支持5万个NB-IoT终端的接入，在独立部署模式下，NB-IoT覆盖能力可164dB。由于采用的移动蜂窝网络，所以不需要家庭网关的参与，相当于NB-IoT模组直接将数据上传至云端服务器，大大简化了流程，对于智能水表来说，电池的损耗是一个大问题，由于智能水表处于一直开启的状态，对电池的损耗是巨大的，但是NB-IoT的功耗低，对水表电池的损耗不大。具体地，NB-IoT模组采用移动、联通、电信NB-IoT无线通讯方式，NB-IoT模组连接端设有NB-IoT基站，所述NB-IoT基站连接端设有NB-IoT平台，所述NB-IoT平台内部设有系统管理服务器，所述系统管理服务器包括水表管理模块、系统管理平台和历史数据查询模块。NB-IoT模组将用水量信息发送给NB-IoT基站，再通过NB-IoT核心网传输到NB-IoT平台进行数据整合和管理，最终传输到系统管理服务器(即管理中心)，由管理人员查看相关信息。

Claims (6)

1.一种基于NB-IoT的无磁智能水表，其特征在于，采用无磁计量和机电一体化设计，其外部由防护盖(1)、上壳体(9)、下壳体(3)和机械水表(4)构成，防护盖(1)与下壳体(3)之间采用卡扣固定，上壳体(9)和下壳体(3)用卡扣和螺丝两种方式固定为整个壳体，壳体与机械水表(4)采用转动轴连接；下壳体(3)中设置有容置腔，单片机控制电路板(7)与无磁PCB板(8)连接后放置于下壳体(3)的容置腔内，并与下壳体(3)采用卡扣和螺丝两种方式固定后灌胶密封。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的无磁智能水表，其特征在于，还包括电池盒(6)，电池盒(6)横向设置于下壳体(3)上，电池则置于电池盒内，采用电池卡扣固定。
3.根据权利要求2所述的基于NB-IoT的无磁智能水表，其特征在于，电池与单片机控制电路板(7)之间可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的无磁智能水表，其特征在于，单片机控制电路板(7)与无磁PCB板(8)之间采用导线连接，且共用电池。
5.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的无磁智能水表，其特征在于，上壳体(9)包含透明窗(11)和天线腔(10)。
6.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的无磁智能水表，其特征在于，控制电路包括单片机控制电路、无磁采样电路、红外收发电路和NB-IoT模组，以单片机控制电路为核心，分别与无磁采样电路、红外收发电路和NB-IoT模组相连接，无磁采样电路以无磁传感方式采集水流量，并通过红外收发电路和NB-IoT模组将水表数据上传至用户终端和管理中心。
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