CN109900337A - 一种基于窄带物联网的燃气表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于窄带物联网的燃气表，一种基于窄带物联网的燃气表，该燃气表包括主控模块、电源模块、气量采集模块、气阀关断模块、通信模块和显示模块，气量采集模块用于采集气量信号和电源模块的电压信号发送给主控模块，气阀关断模块用于依据主控模块的控制指令控制气阀的开合，通信模块用于接收单片机发送的信息并通过窄带物联网发送到外部的服务器平台，主控模块包括单片机，主控模块用于接收气量采集模块发送的采集气量信号和电源模块的电压信号并通过单片机进行处理，依据单片机的处理结果输出相应的控制指令给气阀关断模块，同时将单片机的处理结果发送给显示模块和通信模块。

Description

一种基于窄带物联网的燃气表

技术领域

本发明属于燃气表领域，具体涉及一种基于窄带物联网的燃气表。

背景技术

燃气表是燃气系统的重要组成部分，对燃气企业的安全运营、服务质量、经济效益等都有着较大的影响。燃气计量仪器作为用户用气数据采集的终端设备，是燃气企业实现智能化管理的前提，也是进一步实现大数据服务的关键。

在燃气基表上加入某些模块，实现数据采集、传输、控制等功能的燃气表可称为智能燃气表。智能燃气表包括IC卡式燃气表和远传燃气表，其中，IC卡表具有自动收费功能，用户将IC卡再插入IC卡燃气表中，便可获得所购燃气量的使用权限。远传燃气表是指具有基表数据读取和远传功能的燃气表，其基表数据读取采集是由数据传感器完成的，再利用无线或有线通讯方式，实现基表读取数据与燃气公司收费管理系统中心的信息传输，从而实现对燃气表的远程抄表，在收费管理系统中完成对气量的计算和费用的结算。

然而，IC卡式燃气表普遍存在着抗干扰能力差、电源不持久、阀门易故障、卡座易损坏等缺陷，卡式表无法实现数据实时传输，燃气公司也无法及时准确的了解用户用气量情况；有线远传燃气表可以实现远程抄读数据、远程监测，有线远传表不需电源、数据传输稳定，解决了抄表难、检测难的问题，但施工布线复杂，施工、安装、维护成本较高，依然需要配备人员去各采集器中下载数据；现有的无线远传表有电力载波通信和物联网通信等方式，然而电力载波通信中的变压器对信号有阻隔作用，只能在一定区域内使用，同时信号只能在单相电上传输且信号衰减严重，常常收不到信号，在无线信号较差的情况下无法及时实现气阀的断开和闭合；物联网通信远传表长期使用后由于信号衰减或天气原因导致无法抄表的情况，同时信号传输的安全性低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于窄带物联网的燃气表，该燃气表包括主控模块、电源模块、气量采集模块、气阀关断模块、通信模块和显示模块，其通过主控模块的单片机处理采集的气量信号和电压信号生成相应的控制指令给气阀关断模块实现气阀的断开和闭合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于窄带物联网的燃气表，该燃气表包括主控模块、电源模块、气量采集模块、气阀关断模块、通信模块和显示模块，主控模块分别连接电源模块、气量采集模块、气阀关断模块、通信模块和显示模块，电源模块分别连接气量采集模块和通信模块，气量采集模块用于采集气量信号和电源模块的电压信号发送给主控模块，气阀关断模块用于依据主控模块的控制指令控制气阀的开合，通信模块用于接收单片机发送的信息并通过窄带物联网发送到外部的服务器平台，

主控模块包括单片机，主控模块用于接收气量采集模块发送的采集气量信号和电源模块的电压信号并通过单片机进行处理，依据单片机的处理结果输出相应的控制指令给气阀关断模块，同时将单片机的处理结果发送给显示模块和通信模块。

作为本发明的进一步改进，气阀关断模块通过依据接收单片机的控制指令相应地设置气阀关断模块内部的三极管导通状态，使得气阀两端电压反向，从而实现气阀的断开或闭合。

作为本发明的进一步改进，气阀关断模块包括二极管D4、三极管V5、三极管V6、三极管V7、三极管V、三极管V9和三极管V10，三极管V6的c极并联连接三极管V5的c极和气阀关断信号的1脚，三极管V5的e极连接电源芯片U5的Vin脚三极管，三极管V5的b极和e极之间串联电阻R8，三极管V5的b极通过电阻R9连接三极管V7的c极，三极管V7的b极通过电阻R10连接单片机的第一I/O口，三极管V9的c极连接三极管V8的c极，同时通过电阻R7连接到气阀关断信号的2脚，三极管V8的e极连接电源芯片U5的Vin脚，三极管V8的b极和e极之间连接电阻R12，三极管V8的b极通过电阻R13连接到三极管V10的c极，三极管V10的b极通过电阻R14连接单片机的第二I/O口，V7的e极连接三极管V9的b极，三极管V10的e极连接到三极管V6的b极，三极管V6的c极和三极管V9的c极之间并联连接二极管D4，单片机的第一I/O口并联连接电阻R11和电容C7后连接整个电路的GND，单片机的第二I/O口并联连接电阻R15和电容C8后连接整个电路的GND。

作为本发明的进一步改进，电源模块用于将220V交流市电或干电池电压转换成所需电压以供给主控模块和通信模块。

作为本发明的进一步改进，电源模块包括电池、电源单元U4、电源芯片U5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、保险F1、热敏电阻NTC和压敏电阻MOV，220V市电L与保险F1的1脚连接，保险F1的2脚与热敏电阻NTC的1脚和压敏电阻MOV的1脚连接，热敏电阻NTC的2脚连接到电源单元U4的输入1脚，220V市电L与压敏电阻MOV的2脚和电源单元U4的输入2脚连接，电源单元U4的输出正极通过二极管D3连接到电源芯片U5的Vin脚，电池的正极通过二极管D2连接到电源芯片U5的Vin脚，电源芯片U5的输出负极连接整个电路的GND。

作为本发明的进一步改进，电源单元U4输出正负极之间并联一个TVS二极管D1、电容C1、电容C2和电容C3，电源芯片U5的Vin脚通过电容C3连接整个电路的GND，电源单元U4的输出3脚并联连接电容C4和电容C5后连接整个电路的GND。

作为本发明的进一步改进，气量采集模块通过采集两路气量信号的脉冲信号发送给单片机，单片机比较两路气量信号的脉冲信号的上升沿和存储周期数计算用气量。

作为本发明的进一步改进，显示模块包括用户编号显示单元、单月用量显示单元、累计用量显示单元、剩余费用显示单元、当前价格显示单元、关阀指示显示单元和开机指示显示单元、电池电量，显示模块的数值区为8字形图标。

作为本发明的进一步改进，该燃气表还包括报警电路和存储电路，分别用于实现单片机报警提示和数据存储。

作为本发明的进一步改进，该燃气表外壳采用防爆设计。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种基于窄带物联网的燃气表，其通过主控模块的单片机处理采集的气量信号和电压信号生成相应的控制指令给气阀关断模块实现气阀的断开和闭合，单片机通过采集气量反馈信号并经过软件运算得到用气量，费用等信息，同时给出气阀关断信号和报警信号，并驱动液晶屏将各种信息显示出来。

本发明的一种基于窄带物联网的燃气表，其电源模块采用开关电源设计，并加有保险、压敏、热敏、TVS二极管等保护器件，带负载能力强，输出精度高，具有较高的稳定性和可靠性，同时采用市电和电池双电源供电，在有市电的情况下，通过市电供电，无市电的情况下切换到电池供电。

本发明的一种基于窄带物联网的燃气表，其通过增加的存储芯片实现信息的存储，同时通信模块采用窄带物联网(NB-IOT)通信方式，具有低功耗、广覆盖、使用方便的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于窄带物联网的燃气表的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种基于窄带物联网的燃气表的电源模块结构示意图；

图3是本发明实施例的一种基于窄带物联网的燃气表的气阀关断模块结构示意图。

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。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1是本发明实施例的一种基于窄带物联网的燃气表的结构示意图。如图1所示，该燃气表包括主控模块、电源模块、气量采集模块、气阀关断模块、通信模块和显示模块，其中主控模块分别连接电源模块、气量采集模块、气阀关断模块、通信模块和显示模块，电源模块连接通信模块，

主控模块包括单片机，其用于采集气量信号和电源模块的电压信号、输出气阀关断信号和报警信号、与通信模块进行串口通讯，并通过单片机处理后将相关信息传输到显示模块进行显示；

电源模块用于将220V交流市电和干电池电压转换成所需电压，以供给主控模块和通信模块。图2是本发明实施例的一种基于窄带物联网的燃气表的电源模块结构示意图。如图2所示，电源模块包括电池、电源单元U4、电源芯片U5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、保险F1、热敏电阻NTC和压敏电阻MOV，220V市电L与保险F1的1脚连接，保险F1的2脚与热敏电阻NTC的1脚和压敏电阻MOV的1脚连接，热敏电阻NTC的2脚连接到电源单元U4的输入1脚，220V市电L与压敏电阻MOV的2脚和电源单元U4的输入2脚连接，电源单元U4的输出正极通过二极管D3连接到电源芯片U5的Vin脚，电池的正极通过二极管D2连接到电源芯片U5的Vin脚，电源芯片U5的输出负极连接整个电路的GND。

作为一个优选的方案，电源单元U4输出正负极之间并联一个TVS二极管D1、电容C1、电容C2和电容C3，电源芯片U5的Vin脚通过电容C3连接整个电路的GND，电源单元U4的输出3脚并联连接电容C4和电容C5后连接整个电路的GND。

220V输入加入保险、热敏电阻、压敏电阻构成保护电路，再使用高精度AC/DC电源模块进行隔离变压，输出6V供气阀关断信号使用，再通过电源芯片U5进行二级降压，该芯片纹波小，输出3.3V，精度达到1％，能给单片机和NBIOT模块提供稳定可靠的电源。

当220V市电供入燃气表，电源单元U4输出6V，通过二极管D3整流后输出5V左右，同时干电池通过二极管D2后也输出5V左右，D2和D3构成与门，输出负极同时连接到电源芯片U5的输入，当有220V输入时，电池电压低于电源单元U4输出电压，由电源单元U4输出通过二极管D3给电源芯片U5供电，当停电或者用户不接入市电时，电池电压高于电源单元U4输出电压，由电池通过二极管D2给电源芯片U5供电，输出3.3V电压供仪表使用。另外，单片机检测到电池电量不足时，会发出报警信号，提示用户更换电池。因此该双电源模块的设计确保了燃气表有稳定的供电而不断电。

气阀关断模块用于依据主控模块的指令控制气阀的关断。图3是本发明实施例的一种基于窄带物联网的燃气表的气阀关断模块结构示意图。如图3所示，气阀关断模块包括二极管V4、三极管V5、三极管V6、三极管V7、三极管V8、三极管V9和三极管V10，其中，三极管V6的c极连接三极管V5的c极，同时连接到气阀关断信号的1脚，三极管V5的e极连接电源芯片U5的Vin脚三极管，三极管V5的b极和e极之间连接电阻R8，三极管V5的b极通过电阻R9连接到三极管V7的c极，三极管V7的b极通过电阻R10连接到单片机的I/O口14脚，同样的，三极管V9的c极连接三极管V8的c极，同时通过电阻R7连接到气阀关断信号的2脚，三极管V8的e极连接电源芯片U5的Vin脚，三极管V8的b极和e极之间连接电阻R12，三极管V8的b极通过电阻R13连接到三极管V10的c极，三极管V10的b极通过电阻R14连接到单片机的I/O口13脚，V7的e极连接到三极管V9的b极，三极管V10的e极连接到三极管V6的b极。三极管V6的c极和三极管V9的c极之间并联一个TVS二极管D4，单片机的13脚连接电阻R15和电容C8到GND，单片机的14脚连接电阻R11和电容C7到GND。

如图3所示，当单片机QF-CTL1脚输出高电平、QF-CTL2脚输出低电平，三极管V6，V8，V10截止，三极管V7导通，同时三极管V5和V9也导通，6V(1)通过三极管V5到气阀关断信号1脚，气阀关断信号2脚通过电阻R7和三极管V9到GND。此时气阀关断信号1，2脚间输出为+6V，相反地，当单片机QF-CTL1脚输出低电平、QF-CTL2脚输出高电平，三极管V5，V7，V9截止，三极管V10导通，同时三极管V6和V8也导通，6V(1)通过三极管V8和电阻R7到气阀关断信号2脚，气阀关断信号1脚通过三极管V6到GND。此时气阀关断信号1，2脚间输出为-6V。通过+6V和-6V的切换，可以实现气阀的断开和闭合。

气量采集模块采集的气量信号为两路脉冲信号，通过电容C18，C19滤波后，直接进入单片机I/O口5，6脚，单片机软件使用C语言编写，软件通过查询方式，检测其中一路信号，出现一个上升沿为一个周期，一个周期为一个用气单位，单片机存储周期数，同时另外一路信号作为辅助信号，同样检测信号的上升沿和单片机存储周期数，两路信号存储的周期数进行比较，在误差范围内有效，然后通过信号周期和气量的对应关系公式计算用气量。

当用气量超出用户的储值额度或电池电量不足时，单片机软件会通过I/O口输出高电平，然后通过三极管驱动蜂鸣器发出警报声。

通信模块包括NB-IOT模块，其用于与单片机通讯，将信息通过窄带物联网发送到服务器平台。通信模块具体工作原理如下：系统上电后，NB-IOT模块上电开始工作，单片机与NB-IOT模块之间进行串口通讯，单片机发送配置信息命令给NB-IOT模块，NB-IOT模块开始启动通讯，并进行联网操作，联网成功后，单片机通过NB-IOT模块发送注册信息给服务器，服务器收到后回复给单片机，单片机收到回复后，开始进行日常数据发送和接收，单片机将待发送的数据通过NB-IOT模块发送到服务器，检测发送成功后，转入接收模式，服务器收到数据后进行分析和判断，确定将要对仪表发送的指令，对系统进行参数的设置或数据读取操作，单片机在接受模式下不断读取NB-IOT模块寄存器的数据，收到数据后，作出应答，并按要求进行相关操作，如没收到数据，则继续获取NB-IOT模块寄存器的数据。当服务器判断没有指令需要下发时，则通过指令结束本次通讯。

显示模块包括用户编号显示单元、单月用量显示单元、累计用量显示单元、剩余费用显示单元、当前价格显示单元、关阀指示显示单元、开机指示显示单元、电池电量。显示模块的数值区为6个8字形图标，用于各类信息的数值显示。出现故障时，在数值显示区会显示故障代码。

作为一个优选的方案，该燃气表还包括报警电路和存储电路，用于实现单片机报警提示和数据存储。其中，报警电路包括蜂鸣器B1、三极管V4、电阻R6和电容C6，其中，蜂鸣器B1的正极连接电源芯片U5的输出VCC，B1的负极连接三极管V4的c极，V4的e极接GND，V4的b极通过电容C6连接到GND，V4的b极同时通过电阻R6连接到单片机的I/O口34脚。单片机外加EEPROM存储芯片U2，实现数据的存储。

作为一个优选的方案，燃气表在外壳设计时进行了防爆考虑，确保整个仪表的安全可靠。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于窄带物联网的燃气表，该燃气表包括主控模块、电源模块、气量采集模块、气阀关断模块、通信模块和显示模块，所述主控模块分别连接电源模块、气量采集模块、气阀关断模块、通信模块和显示模块，所述电源模块分别连接气量采集模块和通信模块，所述气量采集模块用于采集气量信号和电源模块的电压信号发送给主控模块，所述气阀关断模块用于依据主控模块的控制指令控制气阀的开合，所述通信模块用于接收单片机发送的信息并通过窄带物联网发送到外部的服务器平台，其特征在于，

所述主控模块包括单片机，所述主控模块用于接收气量采集模块发送的采集气量信号和电源模块的电压信号并通过单片机进行处理，依据单片机的处理结果输出相应的控制指令给气阀关断模块，同时将单片机的处理结果发送给显示模块和通信模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，所述气阀关断模块通过依据接收单片机的控制指令相应地设置气阀关断模块内部的三极管导通状态，使得气阀两端电压反向，从而实现气阀的断开和闭合。

3.根据权利要求2所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，所述气阀关断模块包括二极管D4、三极管V5、三极管V6、三极管V7、三极管V、三极管V9和三极管V10，三极管V6的c极并联连接三极管V5的c极和气阀关断信号的1脚，三极管V5的e极连接电源芯片U5的Vin脚三极管，三极管V5的b极和e极之间串联电阻R8，三极管V5的b极通过电阻R9连接三极管V7的c极，三极管V7的b极通过电阻R10连接单片机的第一I/O口，三极管V9的c极连接三极管V8的c极，同时通过电阻R7连接到气阀关断信号的2脚，三极管V8的e极连接电源芯片U5的Vin脚，三极管V8的b极和e极之间连接电阻R12，三极管V8的b极通过电阻R13连接到三极管V10的c极，三极管V10的b极通过电阻R14连接单片机的第二I/O口，V7的e极连接三极管V9的b极，三极管V10的e极连接到三极管V6的b极，三极管V6的c极和三极管V9的c极之间并联连接二极管D4，单片机的第一I/O口并联连接电阻R11和电容C7后连接整个电路的GND，单片机的第二I/O口并联连接电阻R15和电容C8后连接整个电路的GND。

4.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，所述电源模块用于将220V交流市电或干电池电压转换成所需电压以供给主控模块和通信模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，所述电源模块包括电池、电源单元U4、电源芯片U5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、保险F1、热敏电阻NTC和压敏电阻MOV，220V市电L与保险F1的1脚连接，保险F1的2脚与热敏电阻NTC的1脚和压敏电阻MOV的1脚连接，热敏电阻NTC的2脚连接到电源单元U4的输入1脚，220V市电L与压敏电阻MOV的2脚和电源单元U4的输入2脚连接，电源单元U4的输出正极通过二极管D3连接到电源芯片U5的Vin脚，电池的正极通过二极管D2连接到电源芯片U5的Vin脚，电源芯片U5的输出负极连接整个电路的GND。

6.根据权利要求5所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，所述电源单元U4输出正负极之间并联一个TVS二极管D1、电容C1、电容C2和电容C3，电源芯片U5的Vin脚通过电容C3连接整个电路的GND，电源单元U4的输出3脚并联连接电容C4和电容C5后连接整个电路的GND。

7.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，所述气量采集模块通过采集两路气量信号的脉冲信号发送给单片机，单片机比较两路气量信号的脉冲信号的上升沿和存储周期数计算用气量。

8.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，所述显示模块包括用户编号显示单元、单月用量显示单元、累计用量显示单元、剩余费用显示单元、当前价格显示单元、关阀指示显示单元和开机指示显示单元、电池电量，所述显示模块的数值区为8字形图标。

9.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，该燃气表还包括报警电路和存储电路，分别用于实现单片机报警提示和数据存储。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种基于窄带物联网的燃气表，其特征在于，该燃气表外壳采用防爆设计。