專利名稱：3g自發(fā)電水表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種使用自發(fā)電實(shí)現(xiàn)可計量給水的機(jī)電控制裝置，并將計量數(shù)據(jù)通過3G無線廣域網(wǎng)傳輸?shù)较M(fèi)者，具體說是ー種3G自發(fā)電水表，以廣域網(wǎng)作為媒介，將水表讀數(shù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠地傳送到消費(fèi)者接受平臺，免除了通常由外部供電和通訊所需要的電纜線布置，能夠?qū)崿F(xiàn)能量自治的水表。
背景技術(shù)：
目前為達(dá)到用水管理和節(jié)約用水為目的，市售的有布線式或預(yù)付費(fèi)水表，布線式水表它們與遠(yuǎn)程管理計算機(jī)之間的信息交換絕大多數(shù)也是采用有線485通訊的方式，具有布線困難，距離有限，成本増加的問題，而預(yù)付費(fèi)水表存在用戶因不能及時充值而停水的風(fēng)限。所以可以將這種構(gòu)造歸類為傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)式及預(yù)付費(fèi)水表。由于消費(fèi)者使用水的場所多種多樣，尤其只是在近年才有用技術(shù)手段實(shí)行節(jié)約用水控制的要求，如果要在多樣繁復(fù)的環(huán)境中普遍實(shí)行水表安裝，傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)式或預(yù)付費(fèi)水表的應(yīng)用就有很多缺陷。首先，用水環(huán)境大多潮濕，電源線、通訊線都需要布設(shè)管道，在現(xiàn)存的建筑物內(nèi)再次施工將使安裝工程困難重重。即使新設(shè)計的建筑，為聯(lián)網(wǎng)水表安裝預(yù)留的電纜管道敷設(shè)對業(yè)主也是ー筆不小的投資；其次，銅質(zhì)導(dǎo)線是貴金屬，普遍使用水表要求建設(shè)成本不能太高，而聯(lián)網(wǎng)式水表存在這些方面的諸多問題；再有，大范圍的民生應(yīng)用場所采用現(xiàn)存的有線通訊方案，對可靠性、可用性、可維護(hù)性方面的要求并不亞于エ業(yè)級產(chǎn)品；除此之外，在潮濕的(如開水房、洗浴室等)環(huán)境中電源線的引入還存在人生命安全方面的隱患；對于工程公司或制造商而言，布線式水表的故障排除和設(shè)備升級也是一個高成本的困難任務(wù)。
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本實(shí)用新型的目的是針對以往布線式或預(yù)付費(fèi)水表的實(shí)際缺陷，提供一種無需電源和通訊布線、無需外部電源能夠?qū)崿F(xiàn)能量自治、及時查詢消費(fèi)和遠(yuǎn)程管理的3G自發(fā)電水表。技術(shù)方案本實(shí)用新型公開了ー種3G自發(fā)電水表,它包括微控制器處理系統(tǒng),微控制器處理系統(tǒng)分別與給水流量感知系統(tǒng)、給水閥門控制系統(tǒng)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)相連；給水流量感知系統(tǒng)還與水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相連；電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)還連接有能量收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；所述的電能存儲監(jiān)控系統(tǒng)還分別與水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、給水閥門控制系統(tǒng)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)相連。其中，所述的水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括安裝在供水管段中的水流動能發(fā)電機(jī)，水流動能發(fā)電機(jī)分別連接給水流量感知系統(tǒng)和變送器，變送器與電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)相連。本實(shí)用新型將轉(zhuǎn)換工作介質(zhì)的動能為有效電能，通過能量收集、儲存和管理技術(shù)建立系統(tǒng)的工作電源；本實(shí)用新型_在最大限度地降低系統(tǒng)功耗；同時，本實(shí)用新型利用3G無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和管理。為了讓消費(fèi)者和管理者更加便利、有效地使用，設(shè)計者采用了電子、機(jī)械、3G通訊以及信息管理等各種技術(shù)手段。通常，用戶端的3G自發(fā)電水表包含了這樣幾種技術(shù)要素水流量傳感器；水流閥門控制器；實(shí)時時鐘電路芯片、數(shù)據(jù)存儲電路芯片、數(shù)據(jù)通訊物理層電路芯片、以及以微控制器為核心的控制單元。使用時，消費(fèi)者只需要在電腦上或其他界面根據(jù)用戶號碼查詢，即可實(shí)時了解水表消費(fèi)數(shù)據(jù)給3G自發(fā)電水表遠(yuǎn)程計算機(jī)，可以通過3G網(wǎng)絡(luò)與水表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，實(shí)時采集和匯總各類相關(guān)信息，通過各種業(yè)務(wù)模式保證消費(fèi)者利益并同時實(shí)現(xiàn)對水表管理與設(shè)置。該水表具有開通，即時查詢消費(fèi)，遠(yuǎn)程監(jiān)控和欠費(fèi)通知等四大主要功能，能夠?qū)崿F(xiàn)無需布線安裝和免人工抄表等節(jié)能減排降耗功效，消費(fèi)者都可以即時查詢到每一塊表的消費(fèi)和運(yùn)行狀況。有益效果(I)本實(shí)用新型利用轉(zhuǎn)換工作介質(zhì)的動能，既獲得了系統(tǒng)電源也省略了傳統(tǒng)的流量傳感器，將給水流量傳感器、給水閥門執(zhí)行器、和基于電子與程序控制的嵌入式系統(tǒng)封裝成一體化的3G自發(fā)電水表；(2) —體化的3G自發(fā)電水表內(nèi)所有電子和機(jī)械部件的系統(tǒng)工作電源不需要通過電纜連接外部能源獲得，系統(tǒng)所需能量完全來自一體化結(jié)構(gòu)內(nèi)置的水流動能發(fā)電機(jī)和其它能量收集、儲存轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)以一種極低功耗的運(yùn)行策略能夠?qū)崿F(xiàn)完全能量自治的應(yīng)用；(3)3G自發(fā)電水表內(nèi)的嵌入式電子程序系統(tǒng)采用無線通訊的規(guī)范實(shí)現(xiàn)與外部世界的信息交換，免除了以金屬導(dǎo)線為通訊介質(zhì)的需要。實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無需布線的能量自主供應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足消費(fèi)者使用方便、業(yè)主經(jīng)濟(jì)運(yùn)營、工程和制造商方便維護(hù)的要求，最大限度地利用技術(shù)創(chuàng)新手段節(jié)約水資源降低碳排放。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下文結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做更進(jìn)一步的解釋。如圖1所示，本實(shí)用新型的一種3G預(yù)付費(fèi)水表，包括微控制器處理系統(tǒng)1，給水流量感知系統(tǒng)2、給水閥門控制系統(tǒng)4、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)5、時鐘系統(tǒng)6、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7、電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8相連；給水流量感知系統(tǒng)2還與水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3相連；電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8還連接有能量收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)9 ;電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8還分別與給水閥門控制系統(tǒng)4、狀態(tài)信息顯不系統(tǒng)5、時鐘系統(tǒng)6、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7、水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3相連，為整個系統(tǒng)供電。微控制器處理系統(tǒng)1:使用MSP430微控制器作為無布線安裝3G自發(fā)電水表的處理核心，這款16 bit (位)的處理器專門為極低功耗應(yīng)用而設(shè)計該處理器只對幾個確定的事件，如，無線網(wǎng)絡(luò)通訊事務(wù)、能量消耗狀態(tài)告警、系統(tǒng)設(shè)定狀態(tài)越界做出“喚醒”響應(yīng)，完成所有的檢測、控制和通訊事務(wù)。其余時間將長期處于“睡眠”狀態(tài)，最大限度地減少能量的消耗。給水流量感知系統(tǒng)2 :即水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3與微控制器處理系統(tǒng)I之間的接ロ，它利用水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3中交流發(fā)電機(jī)輸出的正弦波形電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換得到頻率與水流流量成比例的脈沖信號，直接傳送到微控制器處理系統(tǒng)I作為給水流量以邏輯計數(shù)的信號源。水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3 :水流電能轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)3利用給水管道中流水的動能驅(qū)動微型水流動能發(fā)電機(jī)，進(jìn)而為整個系統(tǒng)提供主要的工作電源。如圖2所示，水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3包括安裝在水管管段中的水流動能發(fā)電機(jī)和變送器。水流動能發(fā)電機(jī)輸出經(jīng)過變送器AC/DC (交流/直流)的轉(zhuǎn)換，供給電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8，在電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8的管理下為整個系統(tǒng)提供電源。變送器包括互相連接的AC/DC (交流/直流)轉(zhuǎn)換器和DC/DC (直流-直流)轉(zhuǎn)換器。由于水流動能發(fā)電機(jī)輸出的是交流電，其信號的頻率與水流的速度成比例，因此可將此信號作為系統(tǒng)的給水流量感知系統(tǒng)2的信號源。這ー利用排除了對傳統(tǒng)流量傳感器的需要，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而提高了系統(tǒng)的可靠性并降低了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本。由于水流速率的變化，水流動能發(fā)電機(jī)的瞬時功率也隨之改變；為了從發(fā)電機(jī)獲得最大的功率，需要變送器精確地跟蹤發(fā)電機(jī)最大的功率點(diǎn)來決定負(fù)載的供電策略。針對發(fā)電機(jī)交流輸出經(jīng)整流后30mV到3V的直流輸入電平，DC/DC轉(zhuǎn)換器可使用TI公司的bq25504。bq25504起到的主要作用是將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為與系統(tǒng)中可重復(fù)充電電池電壓相匹配的電平。除此之外，bq25504在芯片內(nèi)部有MPPT (最大功率點(diǎn)跟蹤)算法固件，能夠自動地跟蹤水流發(fā)電機(jī)電源的最大功率點(diǎn)，以獲得最高的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)電池被充電達(dá)到設(shè)定值時將停止充電并發(fā)出充電完成的信號。針對發(fā)電機(jī)交流輸出經(jīng)整流后300mV到大于20 V的輸入電平，DC/DC轉(zhuǎn)換器則可使用TI公司的bq24210。bq24210是針對輸出電壓高的發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)直流/直流的轉(zhuǎn)換工作。對于低輸入電壓，bq24210可以將其輸出提升到鋰電池標(biāo)準(zhǔn)充電電壓的電平；對于高的輸入電壓，bq24210則是ー個降壓的轉(zhuǎn)換器，始終保持其輸出在適合電池充電的電平上。bq24210內(nèi)部也有MPPT (最大功率點(diǎn)跟蹤)算法固件，保證電池能夠從輸入電源中獲得最大效率的轉(zhuǎn)換功率。給水閥門控制系統(tǒng)4 :接收微控制器處理系統(tǒng)I的控制信號，驅(qū)動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制邏輯要求打開或關(guān)閉閥門，實(shí)現(xiàn)對水流的供應(yīng)或截斷。狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)5 :通常由發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器或者液晶顯示器構(gòu)成。用于顯示用戶消費(fèi)、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)等信息。時鐘系統(tǒng)6:即時鐘電路。利用時鐘電路6為系統(tǒng)設(shè)置準(zhǔn)確的時間參照基準(zhǔn)。3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7 BP WCDMA2000，采用了順應(yīng)3 GHz廣域網(wǎng)800M規(guī)范的低功耗無線連接性設(shè)計，例如3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7可采用中興公司的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級芯片MC8630模塊完成組網(wǎng)和通訊。這樣，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無布線安裝的給水表本身就處于其規(guī)范條件具備的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，某一個給水表可以充當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)或者是該網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。由于網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有非常高的連通可靠性，并且通過在無布線安裝的3G自發(fā)電水表所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可以將該拓?fù)鋬?nèi)任何節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)信息傳送到遠(yuǎn)程計算機(jī)主機(jī)上；反之亦然，這個特性不但使遠(yuǎn)程計算機(jī)能夠可靠地收集全系統(tǒng)的消費(fèi)數(shù)據(jù)并監(jiān)控給水表的狀態(tài)，還可以通過這個網(wǎng)絡(luò)為某個乃至所有的3G實(shí)行無電纜編程來升級和維護(hù)系統(tǒng)。[0027]電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8 :即由可充電電池及充電電路、電能儲存電量測量電路、和充放電參數(shù)監(jiān)控電路構(gòu)成，進(jìn)而為整個系統(tǒng)提供不受擾動且長期可靠的供電。能量收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)9 :主要收集給冷、熱水管道溫差提供的轉(zhuǎn)換電能、非金屬屏蔽空間中無線電射頻能量的轉(zhuǎn)換電能。通過對這些可利用能量的收集和轉(zhuǎn)換，能量收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)9可以將其及時得到電能補(bǔ)充到電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8中，為無布線能量自治給水控制器的系統(tǒng)電能提供了另一種可靠的供給途徑。系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)電源初次接通，微控制器處理系統(tǒng)I硬件復(fù)位以后設(shè)置各個子系統(tǒng)到初始工作狀態(tài)，這些子系統(tǒng)包括給水流量感知系統(tǒng)2、電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7、時鐘系統(tǒng)6、給水閥門控制系統(tǒng)4、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)5。初始設(shè)置過程完成以后，微控制器處理系統(tǒng)I進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，即睡眠模式。在這個模式中，系統(tǒng)不會對外部世界產(chǎn)生控制效應(yīng)，但3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7以極低的能量消耗仍然工作著。它們能夠監(jiān)視外部世界相關(guān)信號，并據(jù)其性質(zhì)使微控制器處理系統(tǒng)I脫離“睡眠模式”模式，工作原理分別敘述如下3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7以極低的能量消耗仍然工作著。它們能夠監(jiān)視外部世界相關(guān)信號，并據(jù)其性質(zhì)使微控制器處理系統(tǒng)I脫離“睡眠模式”模式，如果此時沒有其它工作模式并存也將其自身再次進(jìn)入“睡眠模式”。當(dāng)系統(tǒng)儲存的電能低于最小警戒水平時，電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8將通過相應(yīng)中斷信號向微控制處理系統(tǒng)I發(fā)出告警，使微控制處理系統(tǒng)I脫離“睡眠模式”。微控制處理系統(tǒng)I根據(jù)能量告警性質(zhì)進(jìn)入相應(yīng)的處理程序，并決定后續(xù)的工作狀態(tài)。3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7根據(jù)來自無線網(wǎng)絡(luò)的特定訪問信息能夠觸發(fā)屬于網(wǎng)絡(luò)“喚醒”性質(zhì)的中斷信號使微控制處理系統(tǒng)I脫離“睡眠模式”。微控制器處理系統(tǒng)I根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)入相應(yīng)的處理程序，并決定后續(xù)的工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)脫離“睡眠模式”而處于正常給水工作狀態(tài)時，一旦閥門打開，水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3就能利用工作介質(zhì)的動能發(fā)電并轉(zhuǎn)換為適于存儲的形式到電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)8，同時也發(fā)出與水流流量成比例的交變信號到給水流量感知系統(tǒng)2，而給水流量感知系統(tǒng)2將流量信號發(fā)送到微控制器處理系統(tǒng)1，由其程序決定流量計費(fèi)控制策略。當(dāng)給水結(jié)束的條件發(fā)生時，給水閥門控制系統(tǒng)4將關(guān)閉閥門。微控制器處理系統(tǒng)I接收不到給水流量感知系統(tǒng)2的信號時，如果沒有其它任務(wù)就再次進(jìn)入“睡眠模式”。所有的狀態(tài)顯示信息，都由微控制器處理系統(tǒng)I直接向狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)5發(fā)布。微控制器處理系統(tǒng)I也通過3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7與外部世界建立連接，通過它信息可以傳遞到網(wǎng)絡(luò)上。目前由于全世界控制碳排放要求的形勢越來越緊迫，3G自發(fā)電水電表以節(jié)約人力物力資源為目的，增強(qiáng)智能化管理為手段，利用國際通行的先進(jìn)的3G技術(shù)融合成熟可靠的智能卡技術(shù)，進(jìn)一步創(chuàng)新開發(fā)有廣闊國內(nèi)國際市場需求和前景的，關(guān)系到家家戶戶的水電表，也迎合了目前國內(nèi)集團(tuán)管理和用戶水消費(fèi)的細(xì)化服務(wù)和智能化管理精準(zhǔn)、實(shí)時的需求。
權(quán)利要求1.一種3G自發(fā)電水表,其特征在于,它包括微控制器處理系統(tǒng)(I),微控制器處理系統(tǒng)(I)分別與給水流量感知系統(tǒng)(2)、給水閥門控制系統(tǒng)(4)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)(5)、時鐘系統(tǒng)(6)、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)(7)、電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)(8)相連；給水流量感知系統(tǒng)(2)還與水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(3)相連；電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)(8)還連接有能量收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(9);所述的電能存儲監(jiān)控系統(tǒng)(8)還分別與水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(3)、給水閥門控制系統(tǒng)(4)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)(5)、時鐘系統(tǒng)(6)、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)(7)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3G自發(fā)電水表，其特征在于，所述的水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(3)包括安裝在供水管段中的水流動能發(fā)電機(jī)，水流動能發(fā)電機(jī)分別連接給水流量感知系統(tǒng)(2)和變送器，變送器與電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)(8)相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種3G自發(fā)電水表，它包括微控制器處理系統(tǒng)，微控制器處理系統(tǒng)分別與給水流量感知系統(tǒng)、給水閥門控制系統(tǒng)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)相連；給水流量感知系統(tǒng)還與水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相連；電能儲存監(jiān)控系統(tǒng)還連接有能量收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；所述的電能存儲監(jiān)控系統(tǒng)還分別與水流電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、給水閥門控制系統(tǒng)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)相連。本實(shí)用新型將轉(zhuǎn)換工作介質(zhì)的動能為有效電能，通過能量收集、儲存和管理技術(shù)建立系統(tǒng)的工作電源；旨在降低電路芯片電能消耗，最大限度地降低系統(tǒng)功耗。
文檔編號G01F15/00GK202885886SQ20122049097
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者趙曉明 申請人:南京三益動力電子系統(tǒng)有限公司