CN202885886U

CN202885886U - 3g自发电水表

Info

Publication number: CN202885886U
Application number: CN2012204909715U
Authority: CN
Inventors: 赵晓明
Original assignee: NANJING TRIE ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: NANJING TRIE ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2022-09-25

Abstract

本实用新型公开了一种3G自发电水表，它包括微控制器处理系统，微控制器处理系统分别与给水流量感知系统、给水阀门控制系统、状态信息显示系统、时钟系统、3G无线网络通讯系统、电能储存监控系统相连；给水流量感知系统还与水流电能转换系统相连；电能储存监控系统还连接有能量收集转换系统；所述的电能存储监控系统还分别与水流电能转换系统、给水阀门控制系统、状态信息显示系统、时钟系统、3G无线网络通讯系统相连。本实用新型将转换工作介质的动能为有效电能，通过能量收集、储存和管理技术建立系统的工作电源；旨在降低电路芯片电能消耗，最大限度地降低系统功耗。

Description

3G自发电水表

技术领域

本实用新型涉及一种使用自发电实现可计量给水的机电控制装置，并将计量数据通过3G无线广域网传输到消费者，具体说是一种3G自发电水表，以广域网作为媒介，将水表读数数据稳定可靠地传送到消费者接受平台，免除了通常由外部供电和通讯所需要的电缆线布置，能够实现能量自治的水表。

背景技术

目前为达到用水管理和节约用水为目的，市售的有布线式或预付费水表，布线式水表它们与远程管理计算机之间的信息交换绝大多数也是采用有线485通讯的方式，具有布线困难，距离有限，成本增加的问题，而预付费水表存在用户因不能及时充值而停水的风限。所以可以将这种构造归类为传统的联网式及预付费水表。

由于消费者使用水的场所多种多样，尤其只是在近年才有用技术手段实行节约用水控制的要求，如果要在多样繁复的环境中普遍实行水表安装，传统的联网式或预付费水表的应用就有很多缺陷。首先，用水环境大多潮湿，电源线、通讯线都需要布设管道，在现存的建筑物内再次施工将使安装工程困难重重。即使新设计的建筑，为联网水表安装预留的电缆管道敷设对业主也是一笔不小的投资；其次，铜质导线是贵金属，普遍使用水表要求建设成本不能太高，而联网式水表存在这些方面的诸多问题；再有，大范围的民生应用场所采用现存的有线通讯方案，对可靠性、可用性、可维护性方面的要求并不亚于工业级产品；除此之外，在潮湿的（如开水房、洗浴室等）环境中电源线的引入还存在人生命安全方面的隐患；对于工程公司或制造商而言，布线式水表的故障排除和设备升级也是一个高成本的困难任务。

发明内容

发明目的：本实用新型的目的是针对以往布线式或预付费水表的实际缺陷，提供一种无需电源和通讯布线、无需外部电源能够实现能量自治、及时查询消费和远程管理的3G自发电水表。

技术方案：本实用新型公开了一种3G自发电水表，它包括微控制器处理系统，微控制器处理系统分别与给水流量感知系统、给水阀门控制系统、状态信息显示系统、时钟系统、3G无线网络通讯系统、电能储存监控系统相连；给水流量感知系统还与水流电能转换系统相连；电能储存监控系统还连接有能量收集转换系统；所述的电能存储监控系统还分别与水流电能转换系统、给水阀门控制系统、状态信息显示系统、时钟系统、3G无线网络通讯系统相连。

其中，所述的水流电能转换系统包括安装在供水管段中的水流动能发电机，水流动能发电机分别连接给水流量感知系统和变送器，变送器与电能储存监控系统相连。

本实用新型将转换工作介质的动能为有效电能，通过能量收集、储存和管理技术建立系统的工作电源；本实用新型旨在最大限度地降低系统功耗；同时，本实用新型利用3G无线通讯技术实现管理数据的实时传输和管理。

为了让消费者和管理者更加便利、有效地使用，设计者采用了电子、机械、3G通讯以及信息管理等各种技术手段。通常，用户端的3G自发电水表包含了这样几种技术要素：水流量传感器；水流阀门控制器；实时时钟电路芯片、数据存储电路芯片、数据通讯物理层电路芯片、以及以微控制器为核心的控制单元。使用时，消费者只需要在电脑上或其他界面根据用户号码查询，即可实时了解水表消费数据

给3G自发电水表远程计算机，可以通过3G网络与水表实现数据的交互，实时采集和汇总各类相关信息，通过各种业务模式保证消费者利益并同时实现对水表管理与设置。该水表具有开通，即时查询消费，远程监控和欠费通知等四大主要功能，能够实现无需布线安装和免人工抄表等节能减排降耗功效，消费者都可以即时查询到每一块表的消费和运行状况。

有益效果：（1）本实用新型利用转换工作介质的动能，既获得了系统电源也省略了传统的流量传感器，将给水流量传感器、给水阀门执行器、和基于电子与程序控制的嵌入式系统封装成一体化的3G自发电水表；（2）一体化的3G自发电水表内所有电子和机械部件的系统工作电源不需要通过电缆连接外部能源获得，系统所需能量完全来自一体化结构内置的水流动能发电机和其它能量收集、储存转换子系统，使得系统以一种极低功耗的运行策略能够实现完全能量自治的应用；（3）3G自发电水表内的嵌入式电子程序系统采用无线通讯的规范实现与外部世界的信息交换，免除了以金属导线为通讯介质的需要。实现了真正意义上的无需布线的能量自主供应，在实际应用中能够满足消费者使用方便、业主经济运营、工程和制造商方便维护的要求，最大限度地利用技术创新手段节约水资源降低碳排放。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的水流电能转换系统的结构示意图。

具体实施方式：

下文结合附图对本实用新型做更进一步的解释。

如图1所示，本实用新型的一种3G预付费水表，包括微控制器处理系统1，给水流量感知系统2、给水阀门控制系统4、状态信息显示系统5、时钟系统6、3G无线网络通讯系统7、电能储存监控系统8相连；给水流量感知系统2还与水流电能转换系统3相连；电能储存监控系统8还连接有能量收集转换系统9；电能储存监控系统8还分别与给水阀门控制系统4、状态信息显示系统5、时钟系统6、3G无线网络通讯系统7、水流电能转换系统3相连，为整个系统供电。

微控制器处理系统1：使用MSP430微控制器作为无布线安装3G自发电水表的处理核心，这款16 bit（位）的处理器专门为极低功耗应用而设计：该处理器只对几个确定的事件，如，无线网络通讯事务、能量消耗状态告警、系统设定状态越界做出“唤醒”响应，完成所有的检测、控制和通讯事务。其余时间将长期处于“睡眠”状态，最大限度地减少能量的消耗。

给水流量感知系统2：即水流电能转换系统3与微控制器处理系统1之间的接口，它利用水流电能转换系统3中交流发电机输出的正弦波形电压经转换得到频率与水流流量成比例的脉冲信号，直接传送到微控制器处理系统1作为给水流量以逻辑计数的信号源。

水流电能转换系统3 ：水流电能转换子系统3利用给水管道中流水的动能驱动微型水流动能发电机，进而为整个系统提供主要的工作电源。如图2所示，水流电能转换系统 3包括安装在水管管段中的水流动能发电机和变送器。水流动能发电机输出经过变送器 AC/DC（交流/直流）的转换，供给电能储存监控系统 8，在电能储存监控系统8的管理下为整个系统提供电源。变送器包括互相连接的AC/DC（交流/直流）转换器和DC/DC（直流-直流）转换器。

由于水流动能发电机输出的是交流电，其信号的频率与水流的速度成比例，因此可将此信号作为系统的给水流量感知系统2的信号源。这一利用排除了对传统流量传感器的需要，使系统的结构更加紧凑，从而提高了系统的可靠性并降低了系统的实现成本。

由于水流速率的变化，水流动能发电机的瞬时功率也随之改变；为了从发电机获得最大的功率，需要变送器精确地跟踪发电机最大的功率点来决定负载的供电策略。

针对发电机交流输出经整流后30mV到3V的直流输入电平，DC/DC 转换器可使用 TI 公司的 bq25504。bq25504 起到的主要作用是将输入的直流电压转换为与系统中可重复充电电池电压相匹配的电平。除此之外，bq25504 在芯片内部有MPPT（最大功率点跟踪）算法固件，能够自动地跟踪水流发电机电源的最大功率点，以获得最高的转换效率。当电池被充电达到设定值时将停止充电并发出充电完成的信号。

针对发电机交流输出经整流后300mV到大于20 V的输入电平，DC/DC 转换器则可使用 TI 公司的 bq24210。bq24210 是针对输出电压高的发电机实现直流/直流的转换工作。对于低输入电压，bq24210可以将其输出提升到锂电池标准充电电压的电平；对于高的输入电压，bq24210 则是一个降压的转换器，始终保持其输出在适合电池充电的电平上。bq24210 内部也有MPPT（最大功率点跟踪）算法固件，保证电池能够从输入电源中获得最大效率的转换功率。

给水阀门控制系统4：接收微控制器处理系统1的控制信号，驱动阀门执行机构按控制逻辑要求打开或关闭阀门，实现对水流的供应或截断。

状态信息显示系统5：通常由发光二极管数码显示器或者液晶显示器构成。用于显示用户消费、参数设置、系统状态等信息。

时钟系统6：即时钟电路。利用时钟电路6为系统设置准确的时间参照基准。

3G无线网络通讯系统7：即WCDMA2000，采用了顺应3 GHz 广域网800M规范的低功耗无线连接性设计，例如3G无线网络通讯系统7可采用中兴公司的无线网络系统级芯片MC8630模块完成组网和通讯。这样，作为ZigBee网络节点的无布线安装的给水表本身就处于其规范条件具备的网状网络拓扑结构中，某一个给水表可以充当该网络的终端节点或者是该网络中的路由节点。由于网状拓扑结构的网络具有非常高的连通可靠性，并且通过在无布线安装的3G自发电水表所处的网络环境中的协调节点可以将该拓扑内任何节点的互联信息传送到远程计算机主机上；反之亦然，这个特性不但使远程计算机能够可靠地收集全系统的消费数据并监控给水表的状态，还可以通过这个网络为某个乃至所有的3G实行无电缆编程来升级和维护系统。

电能储存监控系统8：即由可充电电池及充电电路、电能储存电量测量电路、和充放电参数监控电路构成，进而为整个系统提供不受扰动且长期可靠的供电。

能量收集转换系统9：主要收集给冷、热水管道温差提供的转换电能、非金属屏蔽空间中无线电射频能量的转换电能。通过对这些可利用能量的收集和转换，能量收集转换系统9可以将其及时得到电能补充到电能储存监控系统8中，为无布线能量自治给水控制器的系统电能提供了另一种可靠的供给途径。

系统工作过程：系统电源初次接通，微控制器处理系统1硬件复位以后设置各个子系统到初始工作状态，这些子系统包括：给水流量感知系统2、电能储存监控系统8、3G无线网络通讯系统7、时钟系统6、给水阀门控制系统4、状态信息显示系统5。

初始设置过程完成以后，微控制器处理系统1进入低功耗运行模式，即睡眠模式。在这个模式中，系统不会对外部世界产生控制效应，但3G无线网络通讯系统7以极低的能量消耗仍然工作着。它们能够监视外部世界相关信号，并据其性质使微控制器处理系统1脱离“睡眠模式”模式，工作原理分别叙述如下：

3G无线网络通讯系统7以极低的能量消耗仍然工作着。它们能够监视外部世界相关信号，并据其性质使微控制器处理系统1脱离“睡眠模式”模式，如果此时没有其它工作模式并存也将其自身再次进入“睡眠模式”。

当系统储存的电能低于最小警戒水平时，电能储存监控系统8将通过相应中断信号向微控制处理系统1发出告警，使微控制处理系统1脱离“睡眠模式”。微控制处理系统1根据能量告警性质进入相应的处理程序，并决定后续的工作状态。

3G无线网络通讯系统7根据来自无线网络的特定访问信息能够触发属于网络“唤醒”性质的中断信号使微控制处理系统1脱离“睡眠模式”。微控制器处理系统1根据网络通讯协议进入相应的处理程序，并决定后续的工作状态。

当系统脱离“睡眠模式”而处于正常给水工作状态时，一旦阀门打开，水流电能转换系统3就能利用工作介质的动能发电并转换为适于存储的形式到电能储存监控系统8，同时也发出与水流流量成比例的交变信号到给水流量感知系统2，而给水流量感知系统2将流量信号发送到微控制器处理系统1，由其程序决定流量计费控制策略。当给水结束的条件发生时，给水阀门控制系统4将关闭阀门。微控制器处理系统1接收不到给水流量感知系统2的信号时，如果没有其它任务就再次进入“睡眠模式”。所有的状态显示信息，都由微控制器处理系统1直接向状态信息显示系统5发布。微控制器处理系统1也通过3G无线网络通讯系统7与外部世界建立连接，通过它信息可以传递到网络上。

目前由于全世界控制碳排放要求的形势越来越紧迫，3G自发电水电表以节约人力物力资源为目的，增强智能化管理为手段，利用国际通行的先进的3G技术融合成熟可靠的智能卡技术，进一步创新开发有广阔国内国际市场需求和前景的，关系到家家户户的水电表，也迎合了目前国内集团管理和用户水消费的细化服务和智能化管理精准、实时的需求。

Claims

1.一种3G自发电水表，其特征在于，它包括微控制器处理系统（1），微控制器处理系统（1）分别与给水流量感知系统（2）、给水阀门控制系统（4）、状态信息显示系统（5）、时钟系统（6）、3G无线网络通讯系统（7）、电能储存监控系统（8）相连；给水流量感知系统（2）还与水流电能转换系统（3）相连；电能储存监控系统（8）还连接有能量收集转换系统（9）；所述的电能存储监控系统（8）还分别与水流电能转换系统（3）、给水阀门控制系统（4）、状态信息显示系统（5）、时钟系统（6）、3G无线网络通讯系统（7）相连。

2.根据权利要求1所述的一种3G自发电水表，其特征在于，所述的水流电能转换系统（3）包括安装在供水管段中的水流动能发电机，水流动能发电机分别连接给水流量感知系统（2）和变送器，变送器与电能储存监控系统（8）相连。