CN108827411A - 一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，它包括超声波流量测量装置，智能控制装置和通讯模块。本发明打破原有的超声波流量计量思路，重新设计超声波测量回路，增加整流用支架和温度传感器，提高流量计量精度。利用现代物联网通讯思路，解决传统机械式水表无远传通讯或通讯模式为单一的有线模式的问题，使得本物联网智能仪表能适合更多的复杂安装环境。水表内三部分电池独立供电协同运行，有效地避免了因为供电电压偏低而导致无法流量计量及表计读数存储、阀门控制、远传通讯的问题。

Description

一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表

技术领域

本发明属于物联网智能仪表技术领域，具体涉及一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表。

背景技术

水表被广泛用于生活、商业和工业上的用水计量，但是传统机械式水表存在抄表自动化程度低，抄表人工成本高等问题，不可远程控制等弊端，越来越无法适应现代社会的需要。随着科技的发展，一些水表企业先后推出了RS485有线通讯的光电直读水表或无磁传感水表，这些电子水表在一定程度上解决人工抄表的问题，但仍存在计量精度提升，数据冻结存储和智能化便捷化需求等问题。目前的水表集抄系统中，往往需要将成百上千块有线通讯水表连接到总线上，施工难度大。目前比较常规的施工方法是直接将智能仪表通讯线通过绝缘胶布缠绕至通讯总线上。这种做法会造成通讯线物理连接不可靠，无防水效果，现场施工及维护难度大等缺点。而且安由于装位置通常会发生在室外，容易受到雨水雾气的侵蚀，系统稳定性差。甚至在很多施工场所，有线通讯方案几乎不可能实施，严重影响了物联网智能水表的普及和智慧水务系统的稳定性可靠性。

随着NB-IoT窄带物联网技术的出现，让智能水表抄表技术看到了曙光，水表行业也迅速将目光锁定在NB-IoT远传水表这一新兴技术上。NB-IoT窄带物联网技术具备广覆盖、高可靠性、高安全性、低成本、低功耗等特点在智能水表领域不仅可以降低抄表系统施工成本，而且可以真正实现水表管理的智能化和大数据化管理，具有非常重要的实际应用价值。物联网智能仪表抄表系统主要由集成NB-IoT通信模组的智能表、NB-IoT通信基站、物联网云平台、业务服务器、客户端管理软件等构成。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单，计量精度高，内嵌超声波计量改良性算法模块和阀控模块，并且具有多种通讯方式可选择的物联网智能水表。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，包括超声波流量测量装置，智能控制装置和通讯模块，其特征在于：

超声波流量测量装置包括管段，管段上部设有换能器孔位和温度传感器孔位，换能器孔位内设有换能器，管段内设有支架,支架上设有反射片，换能器和反射片组成测量回路，温度传感器孔位内设有温度传感器，温度传感器检测流经管道液体的温度；

智能控制装置包括球阀、阀控电机及减速机构、第一电池、第三电池和主控制电路板，球阀、阀控电机及减速机构、主控制电路板三者配合控制开阀或关阀，第一电池和第三电池分别给主控制电路板和阀控电机及减速机构供电；

通讯模块包括通讯电路模块和第二电池，通讯电路模块用于将水表数据上传至通讯主机及接收来自通讯主机的命令，第二电池给通讯电路模块供电。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于换能器孔位内设有密封圈凹槽，密封圈凹槽内安装有换能器密封圈。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于通讯电路模块提供NB-IoT、M-Bus、RS485和脉冲输出四种通讯模式。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于主控制电路板包括通讯协议算法模块、阀控算法模块、异常报警处理模块、超声波流量计量算法模块、水温检测预警模块、电池电压检测模块、日冻结月冻结算法模块、WDT及复位电路模块和LCD显示板。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于通讯电路模块将接收到的字符串信息发送给主控制电路板，主控制电路板判断是否执行开阀或关阀操作。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于换能器孔位平行于管段。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于换能器和反射片组成的测量回路平行于水流方向。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于球阀设于管段进水口与支架之间的位置。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于还包括表壳，阀控电机及减速机构、第一电池、第二电池、第三电池、主控制电路板和通讯电路模块均密封于表壳中。

所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于LCD显示板能够显示瞬时流量、累积流量、日冻结和表地址的数据。

本发明通过采用上述技术方案得到的物联网智能水表，基于流场测试分析数据和超声波测量技术，打破原有的超声波流量计量思路，重新设计超声波测量回路，增加整流用支架，将流量计量精度提高到0.5%。在水表的管段中件增加了温度传感器测量流经管道水流的温度，进一步提高流量测量精度。本发明利用现代物联网通讯思路，解决了传统机械式水表无远传通讯或通讯模式为单一的有线模式的问题，使得本物联网智能仪表能适合更多的复杂安装环境。测量温度另一方面可用于低温报警。水表内分别设置有第一电池、第二电池、第三电池，分别给超声波流量测量装置、智能控制装置、通讯模块三部分独立供电，当其中一个电池处于供电临界值时会发送相应的提示信息，提示用户更换电池或更换水表；三者独立供电协同运行，有效地避免了因为供电电压偏低而导致无法流量计量及表计读数存储、阀门控制、远传通讯的问题。

附图说明

图1为本发明的横剖面结构示意图；

图2为主控制电路板结构示意图；

图中：1-管段，2-换能器孔位，3-温度传感器孔位，4-支架，5-反射片，6-温度传感器，7-换能器，8-换能器密封圈，9-球阀，10-阀控电机及减速机构，11-第一电池，12-第二电池，13-第三电池，14-主控制电路板，15-通讯电路模块，16-表壳，141-通讯协议算法模块，142-阀控算法模块，143-异常报警处理模块，144-超声波流量计量算法模块，145-水温检测预警模块，146-电池电压检测模块，147-日冻结月冻结算法模块，148-WDT及复位电路模块，149-LCD显示板。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述：

如图1和图2所示，一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，由超声波流量测量装置、智能控制装置和通讯模块三部分组成。其中，第一部分超声波流量测量装置由管段1、换能器孔位2、温度传感器孔位3、支架4、反射片5、温度传感器6、换能器7和换能器密封圈8组成；第二部分智能控制装置由主控制电路板14、球阀9、阀控电机及减速机构10、第一电池11和第三电池13组成；第三部分通讯模块由通讯电路模块15和第二电池12两部分组成。

管段1的上部平行设有换能器孔位3，换能器孔位3内设有换能器7和密封圈凹槽，密封圈凹槽内安装有换能器密封圈8。传统超声波水表因为换能器被安装在管段的两侧，水容易从换能器与管段连接的缝隙处渗出。这种设计将换能器7放置在管段1受水压最小的位置，并通过密封圈8进行密封，在完成超声波流量测试的同时也有效地防止水流因为管道压力过大和换能器安装密封不到位而发生的溢出，防止换能器7缝隙渗水。

管段1的上部中间位置设有由温度传感器孔位3，温度传感器孔位3内设有温度传感器6，通过温度传感器6可测得流经管道液体的温度。温度值将被应用于超声波流量计量算法和低温报警算法。

主控制电路板14被固定于表壳16内，主要集成通讯协议算法模块141、阀控算法模块142、异常报警处理模块143、超声波流量计量算法模块144、水温检测预警模块145、电池电压检测模块146、日冻结月冻结算法模块147、WDT及复位电路模块148和LCD显示板149；主要完成超声波流量计量，管道内水温测量，开关阀控制，远传通讯等功能，以及对瞬时流量、累积流量、日冻结、表地址等信息的液晶显示。

阀控功能由主控制电路板14、球阀9、阀控电机及减速机构10三部分协同配合来完成。当需要进行开关阀操作时，主控制电路板14将控制信号发送给阀控电机及减速机构10，阀控电机及减速机构10带动球阀9进行开阀或关阀动作。

通讯电路模块15被独立安装于主控制电路板14之上，起到主控制电路板14和通讯主机（服务器）之间通讯的桥梁作用。通讯电路模块15将从服务器接收到的命令发送给主控制电路板14，主控制电路板14将数据信息如累积流量值等通过通讯电路模块15发送至通讯主机（服务器）。 通讯电路模块15可同时提供NB-IoT、M-Bus、RS485和脉冲输出多种通讯模式。在不更换主控制电路板14的情况下，可根据用户的实际需求自由选择通讯模式，经济实惠。

管段1内设有1个支架4。支架4对流经管段1的水流起到整流作用。在超声波流量测量过程中，流体处于层流和紊流不规律的动态变化中，流速分布不均匀，雷诺数无规律变化，导致超声波流量计量偏差较大。利用管段1内流场分析数据而设计出的支架4可以对管段1内的水流进行整流，使水流的雷诺数稳定在一个常值。最终在获取精度更高的流量值的同时，也降低了水表对上下流直管段长度的要求，节约了管段材料的使用量。

支架4的两端安装有相对的反射片5。换能器7和反射片5组成测量回路。测量回路平行于水流方向，使得超声波测量路线运行在管道内时受流体的紊流影响最小，从而提高超声波测量精度。

第一电池11给主控制电路板14单独供电，第二电池12给通讯电路模块15单独供电，第三电池13给阀控电机及减速机构10单独供电。其中，第一电池11为不可更换电池，可以保证主控制电路板14连续工作时间长达8年；当第一电池11电量过低时，可向阀控电机及减速机构10发送关阀命令来关闭球阀9，并提醒用户更换超声波水表，有效地避免了因为超声波内置电池无法正常供电而引起用水量计量错误。第二电池12在通讯过程中给通讯电路模块15供电，当不进行数据通讯时通讯电路模块15处于休眠状态不消耗电量。第三电池13给阀控电机及减速机构10供电，可支持阀门开关动作达到2000多次。第二电池12和第三电池13为可更换电池，当电压过低时发送提示信息，提醒用户更换第二电池12和第三电池13。第一电池11、第二电池12和第三电池13三者独立供电协同运行，有效地避免了因为供电电压偏低而导致无法流量计量及表计读数存储、阀门控制、远传通讯的问题。

表壳16为注塑一体成型产品，将阀控电机及减速机构10、第一电池11、第二电池12、第三电池13、主控制电路板14和通讯电路模块15密封于表壳16中，防护等级为IP68。

本发明通过将换能器7放置在管段1顶部，利用换能器密封圈8和压板进行密封，可以防止换能器7缝隙渗水。

Claims (10)

1.一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，包括超声波流量测量装置，智能控制装置和通讯模块，其特征在于：

超声波流量测量装置包括管段（1），管段（1）上部设有换能器孔位（2）和温度传感器孔位（3），换能器孔位（2）内设有换能器（7），管段（1）内设有支架（4）,支架（4）上设有反射片（5），换能器（7）和反射片（5）组成测量回路，温度传感器孔位（3）内设有温度传感器（6），温度传感器（6）检测流经管道液体的温度；

智能控制装置包括球阀（9）、阀控电机及减速机构（10）、第一电池（11）、第三电池（13）和主控制电路板（14），球阀（9）、阀控电机及减速机构（10）、主控制电路板（14）三者配合控制开阀或关阀，第一电池（11）和第三电池（13）分别给主控制电路板（14）和阀控电机及减速机构（10）供电；

通讯模块包括通讯电路模块（15）和第二电池（12），通讯电路模块（15）用于将水表数据上传至通讯主机及接收来自通讯主机的命令，第二电池（12）给通讯电路模块（15）供电。

2.根据权利要求1所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于换能器孔位（2）内设有密封圈凹槽，密封圈凹槽内安装有换能器密封圈（8）。

3.根据权利要求1所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于通讯电路模块（15）提供NB-IoT、M-Bus、RS485和脉冲输出四种通讯模式。

4.根据权利要求1所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于主控制电路板（14）包括通讯协议算法模块（141）、阀控算法模块（142）、异常报警处理模块（143）、超声波流量计量算法模块（144）、水温检测预警模块（145）、电池电压检测模块（146）、日冻结月冻结算法模块（147）、WDT及复位电路模块（148）和LCD显示板（149）。

5.根据权利要求1所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于通讯电路模块（15）将接收到的字符串信息发送给主控制电路板（14），主控制电路板（14）判断是否执行开阀或关阀操作。

6.根据权利要求1所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于换能器孔位（2）平行于管段（1）。

7.根据权利要求1所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于换能器（7）和反射片（5）组成的测量回路平行于水流方向。

8.根据权利要求1所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于球阀（9）设于管段（1）进水口与支架（4）之间的位置。

9.根据权利要求1所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于还包括表壳（16），阀控电机及减速机构（10）、第一电池（11）、第二电池（12）、第三电池（13）、主控制电路板（14）和通讯电路模块（15）均密封于表壳（16）中。

10.根据权利要求4所述的一种集成智能算法及多种通讯方式的物联网智能水表，其特征在于LCD显示板（149）能够显示瞬时流量、累积流量、日冻结和表地址的数据。