CN200947048Y - 一种无线水表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线水表，它包括脉冲水表本体，其特点是还包括：一水表主电路板，它由微控制单元MCU、锁存器、RAM、电源电压转换芯片、串口芯片组成，实现水表计数、程序下载及按键功能；一ZigBee通讯板，它包括CC2420芯片，CC2420芯片通过射频输入/输出电路，经天线将信号发射出去或接收信号，完成与集中点/手持式通讯器间的数据通讯工作；脉冲水表通过输入输出接口水表主电路板相连接，水表主电路板通过SPI总线和ZigBee通讯板相连接。本实用新型的有益效果是具有普通无线水表的优点，不存在布线问题，而且功耗低，数据通讯安全可靠，具有良好的开放性。

Description

一种无线水表

技术领域

本实用新型涉及一种水表，特别涉及一种用于水表无线抄表系统的基于Zigbee无线通讯技术的无线水表。

背景技术

对于居民用水的计量收费，传统的计量收费方式是抄表收费，也是最常用的方式。但此传统抄表收费方式存在许多弊端，如入户麻烦、管理费用过高、存在安全隐患等，已不适应现代物业管理的需要。自动抄表系统具有节省时间、人力、物力，提高工作效率，降低物业成本，可以准确及时地将用户水表数据抄送上来等优点，是抄表计费发展的趋势。

目前，自动抄表系统有以下三类型：

1)智能卡水表

通过预付费卡用水，不实行抄表联网。用水单位或个人须在指定购水点(或联网银行)购买一定水量的卡后，在水表内刷卡方能用水否则将关阀断水，这种方案通过预防费卡内的金额控制用水量。但是，首先，由于智能卡水表不实行抄表，也无联网，供水企业一项重要的经济指标—产销差率无法统计，从而引起供水调度和均衡的难以把握，这是制约智能卡水表普及的一个瓶颈。其次，无论何种原因引起的智能卡水表计量部分或控制部分失灵，由于不存在监控，势必造成供水企业的直接经济损失，也失去了该水表控制用水量的意义。因此这也极大地限制了智能卡水表的普及。并且，出现由于智能卡损坏、或忘记充值等各种主客观非故意拖欠水费因素导致供水中断，而剥夺非过错居民的用水权，作为居民的基本权利，而使得智能卡水表在国内外颇受非议。

2)有线自动抄表系统

(1)分线制集中抄表

每户的水表单独出线连接至数据采集器，然后由数据采集器统一收集与处理数据。分线制自动抄表系统在普通水表的基础上加装传感器件，将机械式读数信号转换成电信号后传送出去，再由数据采集器定时顺序采集来自多路分线连接的水表信号并进行数据处理、存储、故障记录等。各数据采集器可通过RS232口(或红外接口)单独与手持抄表器通讯；也可采用总线连接至单元管理机，再由单元管理机与手持抄表器通讯进行批量数据的抄录；

(2)总线制集中抄表

总线制自动抄表系统中的使用水表是一种智能水表，水表本身具有数据计量和处理功能，多个水表通过同一条数据总线将数据传送至中心计算机。每户的水表通过一条总线挂接。手持抄表器或计算机与智能水表进行数据通讯，读取水表数据后进行计算。

以上两种方式，克服了智能卡水表的弊端，但是这两种方式都属于有线，都需要铺设专门的通讯电缆，存在布线的问题，使得安装(尤其改装)任务繁重，也存在许多隐患：短路、断路等错综复杂的线路更使得维护工作困难重重，安装以及维护成本全部上升。

3)无线智能水表

水表具有数据计量和处理功能，数据通过无线方式实现接收和发送。此类水表无需敷设线路，维护与安装方便，但由于单表加装无线收发装置，成本相应提高，并且经常需要更换电池，更何况若占用收费的无线频点，则需交纳一定的租金和管理费，此外存在数据通讯的安全问题。此类水表大多数使用国际标准业余无线频率和自制的专用通讯协议，所以目前市场上应用很少。

综上所述，随着智能“三表”方案的推广，智能水表已经越来越多地走进千家万户。由于智能卡水表在使用过程中会存在卡片损坏、水表阀门故障及使用情况更新不及时等弊端，作为智能卡水表升级方案的有线远传水表方案(分线制自动抄表系统和总线制自动抄表系统)，又常常因为布线的问题难以大规模推广。在这样一种现状下，无线远传的方案越来越受到业界的瞩目。无线远传方案在保留有线远传方案的优点的情况下，省去了布线的烦恼，安装方便。

发明内容

本实用新型的目是为了克服现有技术的缺点，提供一种能解决有线抄表系统的布线问题，和其它无线水表功耗、数据通讯的安全性问题的基于Zigbee无线通讯技术的无线水表。

本实用新型的技术方案是：一种无线水表，它包括脉冲水表本体，其特点是它还包括：

一水表主电路板，它由微控制单元MCU、锁存器、RAM、电源电压转换芯片、串口芯片组成，实现水表计数、程序下载及按键功能；

一ZigBee通讯板，它包括CC2420芯片，CC2420芯片通过射频输入/输出电路，经天线将信号发射出去或接收信号，完成与集中点/手持式通讯器间的数据通讯工作；

脉冲水表通过输入输出接口水表主电路板相连接，水表主电路板通过SPI总线和ZigBee通讯板相连接。

在现有的无线传输技术中，红外线传输不能绕过障碍物，应用面窄；蓝牙技术传输距离太短、功耗及成本还不够低、开发较复杂，都限制了它的推广应用；无线局域网Wi-Fi技术网络节点有限，不宜到处使用。唯有问世仅有3年多的IEEE 802.15.4/ZigBee无线传输技术，才真正具备低成本、低功耗、高可靠性、组网方便简捷的综合优势，是受到普遍重视的无线通讯技术。因此，开发无线水表时采用Zigbee无线通讯技术。因此，本实用新型的有益效果是具有普通无线水表的优点，不存在布线问题，而且功耗低，数据通讯安全可靠，具有良好的开放性。

附图说明

图1为无线水表结构框图；

图2为主电路板原理框图；

图3为ZigBee通讯板原理框图；

图4为程序框图；

图5为计数程序框图；

图6为与抄表器之间通信框图；

图7为水表脉冲信号接入电路。

具体实施方式

由图1-图3所示，一种无线水表，它包括脉冲式水表本体，其特点是它还包括：

一水表主电路板，它由微控制单元MCU、锁存器、RAM、电源电压转换芯片、串口芯片组成，实现水表计数、程序下载及按键功能；

一ZigBee通讯板，它包括CC2420芯片，CC2420芯片通过射频输入/输出电路，经天线将信号发射出去或接收信号，完成与集中点/手持式通讯器间的数据通讯工作；

脉冲式水表通过输入输出接口水表主电路板相连接，水表主电路板通过SPI总线和ZigBee通讯板相连接。

由图1所示，水表主电路板接收脉冲式水表输出的脉冲信号，用来计算用户用水量，与水表主电路板相连接的ZigBee通讯板负责与集中点或手持式通讯器的通讯。通讯的内容包括水表的脉冲累积数读取与复位、智能水表工作状况、用户使用情况等。考虑到无线水表为民用产品，对价格比较敏感，因此只采用一块MCU，既承担水表脉冲信号的计数工作，同时也承担ZigBee的通讯工作。

1、硬件制作：

(1)水表主电路板，由图2所示，它由MCU、锁存器、RAM、电源电压转换芯片、串口芯片等器件组成，是无线水表的主电路板，实现水表计数、程序下载、各种按键等功能，水表主电路板外部电源为9V，经过调压限流回路，为MCU以及整个水表提供3.3V电压。MCU通过串口芯片与外部串口相连。程序中使用到的数据以及地址信息保存在RAM和锁存器内。晶振回路为MCU提供晶振信号。水表主电路板与无线水表的其他部分有两个接口：①水表脉冲信号输入接口；②与ZigBee通讯板间数据信号接口。水表的脉冲信号送给MCU。MCU的数据通过与ZigBee通讯板的数据接口，经ZigBee通讯板发送和接收。考虑到目前只是原型机，为了调试的需要，因此增加了串行数据接口和JTAG接口，并设计了3个按钮和4个LED。

(2)ZigBee通讯板，由图3所示，ZigBee通讯板主要用于实现ZigBee通讯，完成与集中点/手持式通讯器间的数据通讯工作。考虑到成本问题，以及电路设计的便利性问题，ZigBee通讯板没有设计电源回路，直接使用水表主电路板提供的3.3V电压。MCU对CC2420的控制及数据信号通过接插件实现连接。CC2420RF芯片通过射频输入/输出电路，经过天线，将信号发射出去或接收信号。晶振回路为CC2420芯片提供晶振信号。

2、编写软件，下载软件：

ZigBee协议栈中，将用户自行开发的应用作为一个任务添加在任务列表中，MCU启动后，完成一系列初始化工作，就等待任务的处理。程序框图如图4所示。不同的任务有不同的优先级别。

对于无线水表而言，只有无线水表功能这一个用户定义和添加的任务，其余都是协议栈为了完成ZigBee网络层、MAC层等功能而自带的任务。

(1)接收水表脉冲和计数设计

为了降低功耗，流量脉冲计数部分采用中断唤醒的方式。由于居民用水具有明显的间歇性，并且通常民用水的小时流量为1吨左右，最大流量在3～5吨/小时之间，按5吨/小时计算，则为0.13Hz。按1升水对应1个信号的话，则为1.38Hz，通常10升水对应一个信号输出，则0.138Hz，信号频率比较低，且信号开断时间取决于流速。当有水流过水表，水表转动产生脉冲后，无线水表电路部分接收到脉冲信号后，才唤醒MCU进行计数的运算。这样可以使得MCU大部分时间处于休眠状态。从而达到降低功耗，延长电池使用寿命的目的。将主电路板连接上脉冲水表的脉冲信号，由图7所示，水表的信号线2根，1根接+3.3V，另1根接Atmega128L的PE6管脚，作为中断6来处理，脉冲信号的上升沿触发中断，由于触点闭合存在抖动现象。当MCU收到一个脉冲信号后，在一定时间后，管脚是否还处于高电平状态，是的，则表示收到的脉冲信号不是抖动信号，可以累积。计数程序框图如图5所示。框图中的n的值为1个脉冲所代表的体积数，例如100立方米的水流过水表产生1个脉冲信号输出，则n＝100。

(2)与抄表器间通讯设计

ZigBee通信技术提供了从物理层至网络层的解决方案，因此用户编程时，只需考虑应用，对于帧的构建等具体过程等都不必考虑，由ZigBee协议栈完成。这样简化了应用开发的精力投入。无线水表与抄表器间的通信流程框图如图6所示。

本实用新型的工作过程

当水流从水表表壳进水口进入，经过水表叶轮，叶轮旋转带动水表计数装置和脉冲发信装置，机械表头计数，流过一定量体积的水后，发出脉冲信号或开关信号，电路收到脉冲/开关信号后，开始计数，并累计。当接收集中器/手持式通讯器读水表发出指令，无线水表接收到指令后，电路执行相应动作。例如上传累计的水量、上传读数或累积值清零。

Claims (1)

1、一种无线水表，它包括脉冲水表本体，其特征在于，它还包括：

一水表主电路板，它由微控制单元MCU、锁存器、RAM、电源电压转换芯片、串口芯片组成，实现水表计数、程序下载及按键功能；

一ZigBee通讯板，它包括CC2420芯片，CC2420芯片通过射频输入/输出电路，经天线将信号发射出去或接收信号，完成与集中点/手持式通讯器间的数据通讯工作；

脉冲水表通过输入输出接口水表主电路板相连接，水表主电路板通过SPI总线和Zigbee通讯板相连接。

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