CN1945235A - 一种单环编码直读式无线远传水表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单环编码直读式无线远传水表。它采用改装的传统机械式水表为基表，低功耗无线远传模块作为数据处理和传输单元。基表保留传统机械式水表的基本结构特征，因此具有人工读数功能；基表附设的直读式电子发讯装置由三部分组成：红外发射管、基表字轮的单环半圆编码透空孔以及红外接收编码组管，因此具有电子直读式功能。基表发讯装置采集机械计数器字轮上的数字编码经无线远传模块处理后上传至管理机，并接收管理机下行的指令；无线远传模块由两套3.6V锂电池供电，即锂电池间互为冷备份；无线通信协议遵循IEEE802.15.4的新型无线通信网络协议ZigBee，通信频率2.4GHz。
Description
技术领域
本发明涉及一种单环编码直读式无线远传水表，特别是指一种单环编码直读式低功耗无线远传水表。
背景技术
传统的机械式字轮水表历史悠久，技术成熟，结构简单，成本低廉。随着住宅单元化和高层化，供水企业的抄表工作面临巨大的挑战：一方面入户难，另一方面抄表工作量急剧上升。实现水表数字化和抄表自动化已成为供水企业和用户凾待解决的难题。
上世纪90年代开展的水表数字化和抄表自动化，尽管取得了一定进展，但投运系统太多未能正常运行。究其技术原因有以下三点：机械计量数据转化为电子数据的发讯装置和传感器存在技术缺陷；电子数据有线传输的安装、维护困难，而无线传输的功耗又偏大；电池欠压时切断进水，用户难以接受。
目前，水表数字化的主流技术是脉冲计数法，即水表某位指针或齿轮镶嵌光磁信号发生器，水表每转动一周便输出一个或一组脉冲，所用传感器主要有干簧管、霍尔、韦根、光电器件等。脉冲计数法不是在机械计数器表盘上读取计量结果，而是在同一水表上重新进行电子计量，即所谓的二重计量，从技术角度而言是不合理的。此外，脉冲计数技术还存在一系列固有的技术缺陷：计数过程依赖稳定可靠的不间断供电，这在工程实践中难以保证；脉冲计数水表的初始化及维护工作量大；脉冲计数一旦出错则误差累积无法消除，而现行供水管网无法避免“水锤”现象(水表自传)的产生，“一户一表”大面积推广后“水锤”现象尤为明显，仅此一项每月误差高达数立方米。以干簧管为例，研究人员提出了大量的改进方案：专利ZL94245635.1提出主动磁钢、从动磁钢的两级磁放大结构，提高了传感器灵敏度；专利ZL95212638.9则设计信号发生器贴近干簧管的特殊机械结构，提高传感器工作可靠性；专利ZL01221703.4引入N、S两磁铁，选用自保护功能的干簧管，使“水锤”现象造成的误差减小；专利ZL03229800.5提出使用两只干簧管，既可消除外界的磁干扰，又使干簧管的工作稳定性得到改善；专利ZL200520073012.3则采用两个磁敏电阻，具有防窃水，抗外界干扰，克服干簧管机械触点疲劳所引起的故障。上述研究成果使脉冲计数计数的缺陷得到了一定程度的改善，但无法根除脉冲计数的固有缺陷。专利ZL02211551.X提出一种在机械字轮表盘安装反光条的直读装置，根据反射光信号的强弱获取字轮旋转角度的编码，该专利克服了脉冲计数法的缺陷，但存在电信号编码信号无纠错功能，灵敏度较差，对水质(主要是水垢)敏感的缺陷。目前应用的无线远传水表，受当时技术的限制，功耗普遍过大，不适合电池供电；电池欠压则切断供水，影响用户的日常生活。
本发明在总结水表数字化和抄表自动化领域现有成果的基础上，借鉴无线通信及信息编码等领域的最新科研成果，针对各种解决方案存在的不足，提出一种单环编码直读式无线远传水表。
发明内容
本发明的目的是提供一种单环编码直读式无线远传水表。
单环编码直读式无线远传水表包括基表，低功耗无线远传模块作为数据处理和传输单元，低功耗无线远传模块作为数据处理和传输单元的电路为：微控制器分别与背景调试模块、转换开关、电压检测切换电路、电池仓、射频电路相接，射频电路与天线相接，转换开关与红外接收编码组管相接。
所述的射频电路为：射频芯片的引脚1与第3电阻一端、第1金属电阻一端经第6电容与第18电容一端、第1天线相接，引脚2与第3电阻的另一端、第2金属电阻的一端经第7电容与第18电容另一端、第1天线相连；引脚5与第3金属电阻的一端、第2天线相接，引脚6与第4金属电阻的一端、第2天线相接3、4、7引脚分别接地，22、30、32引脚分别经第4、第3、第8电容接地；引脚23、31相连接电源，经第5电容接地；26、27引脚接晶振两端后经第2电容接地。
微控制器的电路为：单片机的第34、44引脚分别接地，单片机的第33、43引脚分别经第9电容后接地，单片机的第17、18引脚相连与第19引脚分别接第11电容两端后分别接地和电源；单片机的第46引脚与背景调试模块的第1引脚相连，单片机的第12引脚和背景调试模块引脚相连接复位按钮后接地；单片机的第11、12、13、14、15引脚与射频芯片的第20、19、18、17、16引脚分别相连；红外接收编码组管经3x7转换开关后与单片机的普通I/O口相连；第1比较器第5脚与第2比较器的第5引脚和稳压模块的第5引脚相接，第1比较器的第4引脚和第2比较器的第4引脚分别与单片机的第2、3引脚相连，第1比较器第2引脚和第2比较器的第2引脚相接后接地，第1比较器的第1引脚经第1滑动变阻器后接地，第2比较器的引脚2经第2滑动变阻器后接地，第1比较器的第3引脚经第1电阻后接地，第2比较器的第3引脚经第12电容后接地，稳压模块的第1引脚经第1、2电阻后接地，第2电阻的另一端接电源，稳压模块的第3引脚接单片机的第7引脚，第2引脚接地.单片机的第11、12引脚分别与电压转换模块的12、11引脚相连，电压转换模块的第1引脚经第16电容与第3引脚相连，第2引脚经第17、15、13电容后与第6引脚相连，第17引脚的一端接电源，第13引脚的一端接地，第5引脚经第14电容后与第14引脚相连，第7、8引脚分别接九针串口的第2、3引脚，串口的第5引脚接地。
基表包括基表计数器、字轮、指针，其中指针固定，字轮转动。
基表设有直读式电子发讯装置，直读式电子发讯装置由基表计数器字轮上的单环半圆编码透空孔、红外发射管、红外接收编码组管三部分组成，红外接收编码组管垂直正对计数器字轮，且与单环半圆编码透空孔处在同一圆弧上；红外接收编码组管由7个接收管组成，其中5个编码管居中相隔36度均匀排列，2个纠错红外接收管分布在编码管的两端，与编码管相距18度。
本发明在保留传统水表基表的基础上增加了无线传输模块，因此具有人工直读和电子直读双重功能，且读数时指针不动，字轮转动；水表电子读数编码的海明距离为1，因此电子读数编码具有自纠错功能；低功耗无线远传模块具有两种工作模式：抄表时上电，模块接受和发送读数，其工作电流典型值为发射状态30uA，接收状态37uA；其余时段处于休眠状态，电流典型值为1uA.模块由两套3.6V锂电池供电，即锂电池之间互为冷备份，欠电压检测切换电路实时检测电池电压和电池切换，并将电池工况上传至上层管理机，电池正常工作寿命为3年。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明
图1是单环编码直读式无线远传水表的机械结构示意图；
图2是单环编码直读式无线远传水表俯视图；
图3是本发明的直读式发讯装置的结构示意图；
图4(a)是具有单环半圆编码透空孔字轮的平面图；
图4(b)是本发明的红外接收编码组管平面图；
图5是本发明的低功耗无线远传模块电路方框图；
图6是本发明的射频电路图；
图7是本发明的微控制器电路图；
图8是单环编码直读式无线远传水表的软件流程图。
具体实施方式
如图1、5所示，单环编码直读式无线远传水表包括基表1，低功耗无线远传模块作为数据处理和传输单元2，低功耗无线远传模块作为数据处理和传输单元的电路为：微控制器21分别与背景调试模块23、转换开关、电压检测切换电路25、电池仓26、射频电路22相接，射频电路与天线24相接，转换开关与红外接收编码组管相接。
如图2所示，基表1包括基表计数器11、字轮12、指针13，其中，指针13固定，字轮12转动。在基表计数器11(x1，x10，x100)的字轮上，分别刻有宽度为1.5mm的单环半圆编码透空孔14，3套红外接收编码组管16垂直正对计数器字轮(图中未画，参见图4b)，且与单环半圆编码透空孔处在同一圆弧上。
如图3所示，在基表1上设有直读式电子发讯装置，直读式电子发讯装置由基表计数器字轮上的单环半圆编码透空孔14、红外发射管15、红外接收编码组管16三部分组成，红外接收编码组管16垂直正对计数器字轮12，且与单环半圆编码透空孔处在同一圆弧上；红外发射管15、单环半圆编码透空孔14、红外接收编码组管16处在齿轮轴为圆心的同一圆弧上。单环半圆编码透空孔随字轮旋转，红外发射管在抄表时发射红外光，相应的红外接收编码组管出现或透空或隔断，通过编码组管的通断状态，得到字轮相应的转角位置和字码。
如图4(a)、(b)所示，红外接收编码组管由7个接收管组成，其中5个编码管居中相隔36度均匀排列，2个纠错红外接收管分布在编码管的两端，与编码管相距18度。字轮上有10个数字(0至9)，则用四个编码圆周就可以方便识别，但考虑到传统机械式水表字轮直径约为2cm，安排四个编码圆周的生产、装配工艺实用性较差，因此设计单环半圆编码透空方案。理论上单环半圆编码方案需配置四个红外接收管识别0-9这10个数字，但考虑到编码规则要求相邻信息之间的海明距离为1的要求，因此一个字轮设置5个相距36度均匀分布红外接收管。此外5个红外接收编码管组成圆弧的两端各加上一个相隔18度的纠错红外接收管，进一步提高发讯装置自纠错能力，方便维修。
假设图4(a)为字轮的初始状态，图4(b)的红外接收编码组管正对单环半圆编码透空孔，字轮及编码透空孔顺时针360度旋转一周，红外编码接收组管输出的字轮数字编码如下表(接收到红外线的接收管用1表示，反之为0，接收管编号参见图4b)。
低功耗无线远传模块2读入基表发讯装置1输出的电子读数编码，转换成上表右边“读数”栏相应的数字，并上传至管理机。鉴于电子读数相邻仪表之间的海明距离为1，无线传输模块根据这一特征可以方便地判断发讯装置的工况，并自纠读数可能出现的差错。
如图5所示，由Freescale公司的MC9S08GT60单片机、射频芯片MC13192、红外接收编码组管16、背景调试模块23、天线24、电压检测切换电路25以及一些外围电路组成，其中MC9S08GT60单片机和射频芯片MC13 192之间通过SPI串口通信。抄表时上电，其余时段休眠状态，工作电流典型值为发射状态30uA，接收状态37uA，休眠状态1uA。单片机MC9S08GT60通过3x7转换开关读取三个字轮(x1，x10，x100)的编码值。当到达抄表时刻时，模块读入基表字轮编码并将其转化为基表字轮读数，经过自纠错处理后上传至管理机，然后模块进入休眠状态；当模块处于非抄表时刻时，模块进入休眠状态。
如图6所示，射频电路22为：射频芯片的引脚1与第3电阻R3一端、第1金属电阻W101一端经第6电容C6与第18电容C18一端、第1天线ANT101相接，引脚2与第3电阻R3的另一端、第2金属电阻W102的一端经第7电容C7与第18电容C18另一端、第1天线ANT101相连，引脚5与第3金属电阻W103的一端、第2天线ANT102相接，引脚6与第4金属电阻W104的一端、第2天线ANT10)相接；3、4、7引脚分别接地，22、30、32引脚分别经第4、第3、第8电容C4、C3、C8接地；引脚23、31相连接电源，经第5电容C5接地；26、27引脚接晶振两端后经第2电容C2接地。
如图6所示，微控制器的电路为：单片机的第34、44引脚分别接地，单片机的第33、43引脚分别经第9电容C9后接地，单片机的第17、18引脚相连与第19引脚分别接第11电容C11两端后分别接地和电源；单片机的第46引脚与背景调试模块的第1引脚相连，单片机的第12引脚和背景调试模块引脚相连接复位按钮后接地；单片机的第11、12、13、14、15引脚与射频芯片的第20、19、18、17、16引脚分别相连；红外接收编码组管经3x7转换开关后与单片机的普通I/O口相连；第1比较器第5脚与第2比较器的第5引脚和稳压模块的第5引脚相接，第1比较器的第4引脚和第2比较器的第4引脚分别与单片机的第2、3引脚相连，第1比较器第2引脚和第2比较器的第2引脚相接后接地，第1比较器的第1引脚经第1滑动变阻器RS1后接地，第2比较器的引脚2经第2滑动变阻器RS2后接地，第1比较器的第3引脚经第1电阻R1后接地，第2比较器的第3引脚经第12电容C12后接地，稳压模块的第1引脚经第1、2电阻R1、R2后接地，第2电阻R2的另一端接电源，稳压模块的第3引脚接单片机的第7引脚，第2引脚接地．单片机的第11、12引脚分别与电压转换模块的12、11引脚相连，电压转换模块的第1引脚经第16电容C16与第3引脚相连，第2引脚经第17、15、13电容C17、C15、C13后与第6引脚相连，第17引脚的一端接电源，第13引脚的一端接地，第5引脚经第14电容C14后与第14引脚相连，第7、8引脚分别接九针串口的第2、3引脚，串口的第5引脚接地。
如图8所示，单环直读式无线远传水表提供两种抄表模式：定时抄表模式(例如每小时一次)，则在固定时刻基表发讯装置上电，无线远传模块读入基表字轮数字编码，并转换成相应的数字。利用信息编码海明距离为1的规则进行纠错处理，上传管理机，并进入休眠状态；管理机抄表模式，除水表上传电池工况和时间同步外，管理机的抄表命令执行流程与定时抄表模式完全一致；管理机抄表命令中同时带有时间同步命令，各水表的无线远传模块据此调整各自的时间，同时检测电池电压，并作相应处理。
Claims (5)
1.一种单环编码直读式无线远传水表，其特征在于它包括基表(1)，低功耗无线远传模块作为数据处理和传输单元(2)，低功耗无线远传模块作为数据处理和传输单元的电路为：微控制器(21)分别与背景调试模块(23)、转换开关、电压检测切换电路(25)、电池仓(26)、射频电路(22)相接，射频电路与天线(24)相接，转换开关与红外接收编码组管(16)相接。
2.根据权利要求1所述的一种单环编码直读式无线远传水表，其特征在于所述的射频电路(22)为：射频芯片的引脚1与第3电阻(R3)一端、第1金属电阻(W101)一端经第6电容(C6)与第18电容(C18)一端、第1天线(ANT101)相接，引脚2与第3电阻(R3)的另一端、第2金属电阻(W102)的一端经第7电容(C7)与第18电容(C18)另一端、第1天线(W101)相连；引脚5与第3金属电阻(W103)的一端、第2天线(ANT102)相接，引脚6与第4金属电阻(W104)的一端、第2天线(ANT102)相接；引脚3、4、7分别接地，引脚22、30、32分别经第4、第3、第8电容(C4、C3、C8)接地；引脚23、31相连接电源，经第5电容(C5)接地；26、27引脚接晶振两端后经第2电容(C2)接地。
3.根据权利要求1所述的一种单环编码直读式无线远传水表，其特征在于所述的微控制器的电路为：单片机的第34、44引脚分别接地，单片机的第33、43引脚分别经第9电容(C9)后接地，单片机的第17、18引脚相连与第19引脚分别接第11电容(C11)两端后分别接地和电源；单片机的第46引脚与背景调试模块的第1引脚相连，单片机的第12引脚和背景调试模块引脚相连接复位按钮后接地；单片机的第11、12、13、14、15引脚与射频芯片的第20、19、18、17、16引脚分别相连；红外接收编码组管经3x7转换开关后与单片机的普通I/O口相连；第1比较器第5脚与第2比较器的第5引脚和稳压模块的第5引脚相接，第1比较器的第4引脚和第2比较器的第4引脚分别与单片机的第2、3引脚相连，第1比较器第2引脚和第2比较器的第2引脚相接后接地，第1比较器的第1引脚经第1滑动变阻器(RS1)后接地，第2比较器的引脚2经第2滑动变阻器(RS2)后接地，第1比较器的第3引脚经第1电阻(R1)后接地，第2比较器的第3引脚经第12电容(C12)后接地，稳压模块的第1引脚经第1、2电阻(R1、R2)后接地，第2电阻(R2)的另一端接电源，稳压模块的第3引脚接单片机的第7引脚，第2引脚接地.单片机的第11、12引脚分别与电压转换模块的12、11引脚相连，电压转换模块的第1引脚经第16电容(C16)与第3引脚相连，第2引脚经第17、15、13电容(C17、C15、C13)后与第6引脚相连，第17引脚的一端接电源，第13引脚的一端接地，第5引脚经第14电容(C14)后与第14引脚相连，第7、8引脚分别接九针串口的第2、3引脚，串口的第5引脚接地。
4.根据权利要求1所述的一种单环编码直读式无线远传水表，其特征在于所述的基表(1)包括基表计数器(11)、字轮(12)、指针(13)，其中，指针(13)固定，字轮(12)转动。
5.根据权利要求1所述的一种单环编码直读式无线远传水表，其特征在于所述的基表(1)设有直读式电子发讯装置，直读式电子发讯装置由基表计数器字轮上的单环半圆编码透空孔(14)、红外发射管(15)、红外接收编码组管(16)三部分组成，红外接收编码组管(16)垂直正对计数器字轮(12)，且与单环半圆编码透空孔处在同一圆弧上；红外接收编码组管由7个接收管组成，其中5个编码管居中相隔36度均匀排列，2个纠错红外接收管分布在编码管的两端，与编码管相距18度。
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