CN207966171U - 一种基于Zigbee的智能燃气表及无线抄表系统 - Google Patents

Abstract

一种基于Zigbee的智能燃气表及无线抄表系统，属于燃气表技术领域。其特征在于：包括燃气表外壳，在燃气表外壳顶部设置有进气口（1）和出气口（4），在燃气表外壳内设置有控制电路，通讯天线（3）连接在控制电路中，通讯天线（3）位于燃气表外壳顶部，竖直设置在进气口（1）和出气口（4）之间；在前盖（2）的表面突出设置有前壳体（7），在前壳体（7）的前端面上方设置有显示屏（5），在显示屏（5）的下方设置有电池仓（6）；在本基于Zigbee的智能燃气表及无线抄表系统中，通过设置阀门驱动模块，并在阀门驱动模块中设置续流支路，延长了电动阀门的使用寿命，同时可以通过无线通信模块实现了无线抄表。

Description

一种基于Zigbee的智能燃气表及无线抄表系统

技术领域

一种基于Zigbee的智能燃气表及无线抄表系统，属于燃气表技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，城市燃气事业快速发展，燃气居民用户迅猛增长。但是目前普通家庭中的燃气表仅仅实现了燃气的计量功能，自动化水平较低，在现有技术中，也存在有一些智能燃气表，可以利用控制电路实现对燃气表的远程控制，但是传统的智能燃气表中由于燃气表电动阀门为感性负载，电路中没有续流回路，电动阀门容易损坏，因此燃气表电动阀门使用寿命较短。

由于目前燃气表功能单一，因此对燃气使用的统计仍采用人工抄表的方式实现，对抄表人员以及普通家庭来说，会带来各种不便，同时存在如下缺陷：人力成本和时间成本较高，存在着抄表人员工作效率低、数据采集时间滞后、难以分时计费、燃气收费部门支出大等弊端，难以满足目前庞大的用户管理需求。

无线自动抄表技术由于不受地理位置的限制，且无需布线，被认为是目前最先进的抄表技术。该技术抄表方便、实时性高、精确度高、覆盖范围广，通过自动化手段节省人力、并能实现远程监控以及远程维护。但是目前的燃气表的传输天线一般为内置式，内置式传输天线的方式虽然在一定程度上保证了燃气表的美观程度，但是由于燃气表外壳的限制导致天线的体积较小，因此严重影响其发射效果。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过设置阀门驱动模块，并在阀门驱动模块中设置续流支路，延长了电动阀门的使用寿命，同时可以通过无线通信模块实现了无线抄表的基于Zigbee的智能燃气表及无线抄表系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于Zigbee的智能燃气表，其特征在于：包括燃气表外壳，燃气表外壳由前盖以及底壳前后扣合而成，在燃气表外壳顶部左右两侧分别设置有进气口和出气口，在燃气表外壳内设置有控制电路，通讯天线连接在控制电路中，通讯天线位于燃气表外壳顶部，竖直设置在进气口和出气口之间；在前盖的表面突出设置有前壳体，在前壳体的前端面上方设置有显示屏，在显示屏的下方设置有电池仓，在电池仓内设置有用于为控制电路供电的电源；

控制电路包括主控制模块、计量模块、Zigbee驱动模块、阀门驱动模块以及显示屏，通讯天线连接在Zigbee驱动模块上，计量模块的信号输出端与主控制模块的信号输入端相连；主控制模块的信号输出端与显示屏、阀门驱动模块相连，Zigbee驱动模块与主控制模块输入输出端口双向连接，阀门驱动模块驱动电动阀门动作，阀门驱动模块为H桥电机驱动电路，在H桥电机驱动电路中还设置有续流支路。

优选的，所述的阀门驱动模块中H桥电机驱动电路包括三极管Q2~Q5，在三极管Q2~Q5的发射极与集电极之间分别并联续流二极管形成所述的续流支路。

优选的，所述的主控制模块采用型号为CC2530的集成芯片U3，在所述的阀门驱动模块中，电动阀门的供电电源Vcc同时并联电阻R2、电阻R4的一端，三极管Q2以及三极管Q4的发射极以及二极管D1、二极管D3的阴极；

电阻R2的另一端以及三极管Q2的基极并联于一处后连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的基极依次通过电阻R6和光耦芯片U2连接集成芯片U3的36脚，三极管Q6的发射极同时并联三极管Q5的基极以及电阻R5 一端；

三极管Q2的集电极以及二极管D1的阳极同时并联二极管D5的阳极、电容C1的一端、电动阀门的一端、二极管D2的阴极以及三极管Q3的集电极；

电阻R4的另一端以及三极管Q4的基极并联于一处后连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极依次通过电阻R1和光耦芯片U1连接集成芯片U3的35脚，三极管Q1的发射极同时并联三极管Q3的基极以及电阻R3 一端；

三极管Q4的集电极以及二极管D3的阳极同时并联二极管D6的阳极、电容C1的另一端、电动阀门的另一端、二极管D4的阴极以及三极管Q5的集电极，二极管D5的阴极连接二极管D6的阴极；

电阻R3以及电阻R5的另一端、二极管D2以及二极管D4的阳极、三极管Q3以及三极管Q5的发射极同时并联电阻R7以及电阻R8的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R7的另一端连接集成芯片U3的34脚。

优选的，设置有与主控制模块连接的燃气浓度检测模块，燃气浓度监测模块为一氧化碳传感器，燃气浓度监测模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装有与燃气浓度监测模块配合插接的插孔，插孔与主控制器模块相连。

优选的，设置有与主控制模块连接的温度测量模块，温度测量模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装有与温度测量模块配合插接的插孔，插孔与主控制器模块相连。

优选的，在所述的Zigbee驱动模块中，主控制芯片的输出端串联电容C2后同时并联电感L1、电感L2以及电容C4的一端，电感L1的另一端接地，主控制芯片的另一个输出端串联电容C3后同时并联电感L2的另一端，电感L3的一端以及电容C5的一端，电容C5的另一端接地；电容C4以及电感L3的另一端同时并联电容C6~C7的一端，电容C7的另一端接地，电容C6的另一端同时并联电容C8的一端以及通讯天线，电容C8的另一端接地。

优选的，还包括查询模块，查询模块为预留在所述燃气表外壳上的通讯接口，通讯接口与坐住主控制模块相连。

一种无线抄表系统，其特征在于：包括与燃气公司服务器通过无线网络连接的多个基站，基站通过CAN总线同时连接有多个Zigbee协调器，每一个Zigbee协调器同时连接多台所述的基于Zigbee的智能燃气表。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

1、在本基于Zigbee的智能燃气表及无线抄表系统中，通过设置阀门驱动模块，并在阀门驱动模块中设置续流支路，延长了电动阀门的使用寿命，同时可以通过无线通信模块实现了无线抄表。

2、燃气浓度监测模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装插孔，通过插孔与主控制模块实现连接，同时方便燃气浓度监测模块的安装和更换。

3、设置有查询模块，查询模块是预留在燃气表外壳上的一个接口，当无线通信模块无法及时实现通讯时，可由人工通过查询模块通过常规的通讯协议与主控制模块实现通讯，读取相关数据。

4、在主控制模块与阀门驱动模块之间通过光耦芯片连接，有效地抑制了电磁干扰，提高系统的可靠性，切断主控芯片和电机之间的电气连接，从而使得主控芯片与驱动回路系统地线的分别连接，防止干扰信号通过线路串入单片机。

5、燃气表的电动阀门只有在控制系统的控制下电动阀门才会开启或者关闭，而且一旦开启或者关闭后，会进入自保持状态，无需再次电源供电，满足低功耗的要求。

附图说明

图1为基于Zigbee的智能燃气表结构示意图。

图2为基于Zigbee的智能燃气表控制电路原理方框图。

图3为基于Zigbee的智能燃气表控制电路主控制模块以及电机驱动模块电路原理图。

图4为基于Zigbee的智能燃气表控制电路Zigbee驱动模块电路原理图。

图5为无线抄表系统示意图。

其中：1、进气口 2、前盖 3、通讯天线 4、出气口 5、显示屏 6、电池仓 7、前壳体。

具体实施方式

图1~5是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1~5对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种基于Zigbee的智能燃气表，包括燃气表外壳，燃气表外壳由前盖2以及底壳（图中未画出）前后扣合而成，在燃气表外壳顶部左右两侧分别设置有进气口1和出气口4，燃气进气管通过进气口1接入燃气表内，然后由出气口4将燃气引出后供用户使用。在燃气表外壳内设置有控制电路，通讯天线3连接在控制电路中，通讯天线3位于燃气表外壳顶部，竖直设置在进气口1和出气口4之间。

在前盖2的表面突出设置有前壳体7，在前壳体7的前端面上方设置有显示屏5，在显示屏5的下方设置有电池仓6，在电池仓6内设置有用于对控制电路进行供电的电源。

如图2所示，安装在燃气表外壳内的控制电路包括主控制模块、时钟模块、燃气浓度监测模块、温度测量模块、计量模块、电源管理模块、Zigbee驱动模块、报警模块、阀门驱动模块、LCD显示模块以及查询模块。上述的通讯天线3连接在Zigbee驱动模块上。LCD显示模块即为上述的显示屏5。

燃气浓度监测模块、温度测量模块、计量模块、时钟模块以及查询模块的信号输出端与主控制模块的信号输入端相连。主控制模块的信号输出端与LCD显示模块、阀门驱动模块以及报警模块相连。Zigbee驱动模块与主控制模块输入输出端口双向连接。电源管理模块用于向主控制模块以及上述的时钟模块、燃气浓度监测模块、温度测量模块、计量模块、Zigbee驱动模块、报警模块、阀门驱动模块、LCD显示模块以及查询模块提供工作所需的电源。

时钟模块采用常规的计时电路或模块实现，用于计时以及向主控制模块提供实时时间数据。

燃气浓度监测模块采用市售常见的一氧化碳传感器实现，用于监测周围环境中的一氧化碳浓度。燃气浓度监测模块优选安装在燃气表外壳的外部，可在燃气表外壳上安装插孔，通过插孔与主控制模块实现连接，同时方便燃气浓度监测模块的安装和更换。

温度测量模块采用市售常见的温度传感器实现，用于检测燃气表外壳内的温度；也可以安装在燃气表外壳的外部，通过燃气表外壳上安装插孔，通过插孔与主控制模块实现连接，也可以在燃气表外壳的内部和外部同时安装。

计量模块采用市售常见的流量计实现，安装于燃气表进气管路内，用于对燃气表进气流量进行测量。

电源管理模块包括常规的变压电路、整流电路、滤波电路以及市售常见的电源转换芯片，根据各个模块供电需求的不同转换为不同的直流电源。

报警模块可采用常见的声光报警形式实现。

阀门驱动模块用于驱动燃气表中电动阀门的工作，电动阀门安装于燃气表进气管路中，通过阀门驱动模块控制电动阀门可实现燃气表进气管路的关断和开启。

LCD显示模块，用于根据需要对燃气表的运行状态进行显示，如显示时间、计量得到的燃气度数和检测出的异常情况状态等，LCD显示模块为上述的显示屏5。

查询模块是预留在燃气表外壳上的一个接口，当Zigbee驱动模块无法及时实现通讯时，可由人工通过查询模块通过常规的通讯协议与主控制模块实现通讯，读取相关数据。

如图3所示，集成芯片U3为上述的主控制模块，采用型号为CC2530的集成芯片实现。电机M1为燃气表的电动阀门，电机M1的供电电源Vcc同时并联电阻R2、电阻R4的一端，三极管Q2以及三极管Q4的发射极以及二极管D1、二极管D3的阴极。

电阻R2的另一端以及三极管Q2的基极并联于一处后连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的基极依次通过电阻R6和光耦芯片U2连接集成芯片U3的36脚。三极管Q6的发射极同时并联三极管Q5的基极以及电阻R5 一端。

三极管Q2的集电极以及二极管D1的阳极同时并联二极管D5的阳极、电容C1的一端、电机M1的一端、二极管D2的阴极以及三极管Q3的集电极。

电阻R4的另一端以及三极管Q4的基极并联于一处后连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极依次通过电阻R1和光耦芯片U1连接集成芯片U3的35脚。三极管Q1的发射极同时并联三极管Q3的基极以及电阻R3 一端。

三极管Q4的集电极以及二极管D3的阳极同时并联二极管D6的阳极、电容C1的另一端、电机M1的另一端、二极管D4的阴极以及三极管Q5的集电极。二极管D5的阴极连接二极管D6的阴极。

电阻R3以及电阻R5的另一端、二极管D2以及二极管D4的阳极、三极管Q3以及三极管Q5的发射极同时并联电阻R7以及电阻R8的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R7的另一端连接集成芯片U3的34脚。

电动阀门是燃气表内部是否允许用户使用燃气的重要部分，因此该部分的设计就显得尤其重要，阀门驱动模块的电路图3所示。控制电路主体为H桥驱动电路，由供电电源Vcc为其供电。电阻R6和电阻R1分别引入开启和关闭电动阀门的驱动信号，并分别通过各自的光耦芯片（型号为TLP521）分别与CC2530的P2_1和P2_0引脚相连。在高位的晶体管采用PNP 型三极管，低位的晶体管采用的是 NPN 型三极管，由于电机为感性负载，为了避免直流电机反电动势的危害，在四个三极管两端分别反并联了快恢复型续流二极管D1、D2、D3、D4，在三极管关断时，可以有效的将电流降为0。二极管D5和二极管D6反向串联后对与之并联的电机可起过压保护作用，当电路过压时，二极管首先击穿短路。

为了有效地抑制电磁干扰，提高系统的可靠性，在CC2530与 H 桥驱动回路之间加入光电耦合器件 TLP521组成光电隔离电路。加入光耦主要是切断主控芯片和电机之间的电气连接，从而使得主控芯片与驱动回路系统地线的分别连接，防止干扰信号通过线路串入单片机，影响CC2530的正常工作。

燃气表的电动阀门只有在控制系统的控制下电动阀门才会开启或者关闭，而且一旦开启或者关闭后，会进入自保持状态，无需再次电源供电，满足低功耗的要求。当电机正转一定时间会触发阀门开启，反转一定时间，会关闭阀门。阀门工作电压是3.3V-6V，工作电流约为70毫安。

令电阻R1与三极管Q1处的信号为MOTORCLOSE信号，令电阻R6与三极管Q6处的信号为MOTOROPEN信号，当MOTORCLOSE引脚为高电平，MOTOROPEN引脚为低电平时，三极管Q1导通，三极管Q6关闭，导致三极管Q4和三极管Q3导通，三极管Q2和三极管Q5关闭，最终电流经R8流地，电机M1动作使阀门反转，阀门关闭。相应的，如果MOTORCLOSE引脚为低电平，MOTOROPEN引脚为高电平，阀门正转，阀门开启，CC2530就可以通过控制这两个引脚的状态，完成开关阀的功能。

集成芯片U3的22脚同时并联电容C9和晶振X1的一端，集成芯片U3的23脚分别电容C10的一端和晶振X1的另一端；集成芯片U3的32脚同时并联电容C11和晶振X2的一端，集成芯片U3的33脚分别电容C12的一端和晶振X2的另一端。

为满足CC2530芯片的正常工作状态，需要一个高频时钟源和一个低频时钟源，高频时钟源主要供给CPU，保证程序的正常运行，低频时钟源主要供给看门狗定时器、睡眠定时器等。在CC2530内部有两个RC振荡器（晶振X1和晶振X2）电路分别提供16MHz和32KHz的高低频时钟信号。CC2530上电时默认选择这两种时钟源。但是，当使用串口数据传送以及无线收发功能时，必须外接精准的高频外部晶振电路，外部32MHz石英晶振为CC2530芯片的CPU提供高频精准时钟信号，32. 768KHz石英晶振为CC2530提供低频时钟信号，后者是一个可选晶振电路，与芯片内部的低频RC振荡电路作用相同。

如图4所示，集成芯片U3同样作为Zigbee的通讯芯片，集成芯片U3的25脚串联电容C2后同时并联电感L1、电感L2以及电容C4的一端，电感L1的另一端接地。集成芯片U3的26脚串联电容C3后同时并联电感L2的另一端，电感L3的一端以及电容C5的一端，电容C5的另一端接地。电容C4以及电感L3的另一端同时并联电容C6~C7的一端，电容C7的另一端接地，电容C6的另一端同时并联电容C8的一端以及天线Y1，电容C8的另一端接地，天线Y1即为上述的通讯天线3。

通讯天线3采用标准SMA接口的whip天线，图4中Zigbee驱动模块的电路设计主要基于巴伦匹配电路，天线的好坏直接关系到射频通路指标的优良程度，通信距离以及系统功耗等问题。在ZigBee网络进行无线通信时，由CC2530芯片的RF_P和RF_N引脚产生的是一对差分输入输出信号，因为所使用的天线为不平衡的单极子天线，需要使用匹配电路对射频的收发信号进行匹配，本系统采用低成本的电容和电感器件设计巴伦匹配电路，实现对信号的匹配，其中电感L1、电感L3，电容C4~C5实现了差分信号到单端信号的转换。

如图5所示，一种无线抄表系统，包括与燃气公司服务器通过无线网络连接的多个基站，基站通过CAN总线同时连接有多个Zigbee协调器：Zigbee协调器1、Zigbee协调器2、……、Zigbee协调器n，每一个Zigbee协调器同时连接多台配备有如图1所示的基于Zigbee的智能燃气表：燃气表1、燃气表2、……、燃气表n。

为了达到低功耗的目的，燃气表无线传输模块一般处于睡眠状态。当需要抄表时，燃气公司系统通过物联数据中心通过基站向采集点发起抄表命令，采集点收到命令后通过无线网络唤醒燃气表无线传输模块，向其发送无线抄表命令。待采集点通过无线协议将所有燃气表数据收集齐后，再通过无线网络通过基站以及物联数据中心传送至燃气公司系统。同理，，燃气公司系统还可对某一燃气表进行单独抄表及开关阀的操作。同时，燃气表具有低电报警的功能。当燃气表自身电量过低时，将主动通过采集点上传低电量报警信息至后台。

无线抄表系统具有按需完成用户用气量采集、用户用气状态监控与报警、按需开关电动阀门、低电量主动报警、按需无线传输数据以及自动组网的功能。

通过Zigbee网络，实施对燃气表的远程开关阀，远程监控和远程智能抄表；燃气传感器和温度传感器的运用，能够有效的监测燃气泄漏，当发现漏气时，进行报警或者自动关闭电动阀门，杜绝了燃气泄漏带来的安全隐患。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于Zigbee的智能燃气表，其特征在于：包括燃气表外壳，燃气表外壳由前盖（2）以及底壳前后扣合而成，在燃气表外壳顶部左右两侧分别设置有进气口（1）和出气口（4），在燃气表外壳内设置有控制电路，通讯天线（3）连接在控制电路中，通讯天线（3）位于燃气表外壳顶部，竖直设置在进气口（1）和出气口（4）之间；在前盖（2）的表面突出设置有前壳体（7），在前壳体（7）的前端面上方设置有显示屏（5），在显示屏（5）的下方设置有电池仓（6），在电池仓（6）内设置有用于为控制电路供电的电源；

控制电路包括主控制模块、计量模块、Zigbee驱动模块、阀门驱动模块以及显示屏（5），通讯天线（3）连接在Zigbee驱动模块上，计量模块的信号输出端与主控制模块的信号输入端相连；主控制模块的信号输出端与显示屏（5）、阀门驱动模块相连，Zigbee驱动模块与主控制模块输入输出端口双向连接，阀门驱动模块驱动电动阀门动作，阀门驱动模块为H桥电机驱动电路，在H桥电机驱动电路中还设置有续流支路。

2.根据权利要求1所述的基于Zigbee的智能燃气表，其特征在于：所述的阀门驱动模块中H桥电机驱动电路包括三极管Q2~Q5，在三极管Q2~Q5的发射极与集电极之间分别并联续流二极管形成所述的续流支路。

3.根据权利要求1所述的基于Zigbee的智能燃气表，其特征在于：所述的主控制模块采用型号为CC2530的集成芯片U3，在所述的阀门驱动模块中，电动阀门的供电电源Vcc同时并联电阻R2、电阻R4的一端，三极管Q2以及三极管Q4的发射极以及二极管D1、二极管D3的阴极；

电阻R2的另一端以及三极管Q2的基极并联于一处后连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的基极依次通过电阻R6和光耦芯片U2连接集成芯片U3的36脚，三极管Q6的发射极同时并联三极管Q5的基极以及电阻R5 一端；

三极管Q2的集电极以及二极管D1的阳极同时并联二极管D5的阳极、电容C1的一端、电动阀门的一端、二极管D2的阴极以及三极管Q3的集电极；

电阻R4的另一端以及三极管Q4的基极并联于一处后连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极依次通过电阻R1和光耦芯片U1连接集成芯片U3的35脚，三极管Q1的发射极同时并联三极管Q3的基极以及电阻R3 一端；

三极管Q4的集电极以及二极管D3的阳极同时并联二极管D6的阳极、电容C1的另一端、电动阀门的另一端、二极管D4的阴极以及三极管Q5的集电极，二极管D5的阴极连接二极管D6的阴极；

电阻R3以及电阻R5的另一端、二极管D2以及二极管D4的阳极、三极管Q3以及三极管Q5的发射极同时并联电阻R7以及电阻R8的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R7的另一端连接集成芯片U3的34脚。

4.根据权利要求1所述的基于Zigbee的智能燃气表，其特征在于：设置有与主控制模块连接的燃气浓度检测模块，燃气浓度监测模块为一氧化碳传感器，燃气浓度监测模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装有与燃气浓度监测模块配合插接的插孔，插孔与主控制器模块相连。

5.根据权利要求1所述的基于Zigbee的智能燃气表，其特征在于：设置有与主控制模块连接的温度测量模块，温度测量模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装有与温度测量模块配合插接的插孔，插孔与主控制器模块相连。

6.根据权利要求1所述的基于Zigbee的智能燃气表，其特征在于：在所述的Zigbee驱动模块中，主控制芯片的输出端串联电容C2后同时并联电感L1、电感L2以及电容C4的一端，电感L1的另一端接地，主控制芯片的另一个输出端串联电容C3后同时并联电感L2的另一端，电感L3的一端以及电容C5的一端，电容C5的另一端接地；

电容C4以及电感L3的另一端同时并联电容C6~C7的一端，电容C7的另一端接地，电容C6的另一端同时并联电容C8的一端以及通讯天线（3），电容C8的另一端接地。

7.根据权利要求1所述的基于Zigbee的智能燃气表，其特征在于：还包括查询模块，查询模块为预留在所述燃气表外壳上的通讯接口，通讯接口与坐住主控制模块相连。

8.一种利用权利要求1~7任一项所述的基于Zigbee的智能燃气表组成的无线抄表系统，其特征在于：包括与燃气公司服务器通过无线网络连接的多个基站，基站通过CAN总线同时连接有多个Zigbee协调器，每一个Zigbee协调器同时连接多台所述的基于Zigbee的智能燃气表。