專利名稱:一種低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭及其使用方法
技術領域:
本發(fā)明屬于一種帶遠程抄表功能的流量數(shù)字水表表頭及該表頭的使用方法,特別 是一種微型嵌入式數(shù)字控制電路支持的既可對流量進行計量、又可進行遠程抄表的低功耗 智能(數(shù)字)式水表表頭及其使用方法。該表頭特別適合與要求較長時間不需更換電池 的水網(wǎng)供水系統(tǒng)配套、用于對用戶的用水量進行記錄、并將記錄數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送給管理 (收費)部門處理。
背景技術:
近年來,隨著電子技術,通信技術和傳感技術的發(fā)展,人們研制出一系列新型的 網(wǎng)絡智能水表,這些測量儀器通過各種類型的傳感器得到水流信息,再將傳感器輸出的 電信號進行放大、整形及處理、然后數(shù)字顯示或者通過網(wǎng)絡提交用水量信息。公告號為 CN201035737Y、發(fā)明名稱為《流量計費表數(shù)字遠傳抄表系統(tǒng)》的專利文獻所記載的即是此類 技術;該專利技術包括圖像采集與預處理部分、數(shù)字信號處理部分、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示 部分,該技術由于采用圖像采集技術并采用DSP作處理器、通過LED長顯示,其功耗大,需頻 繁更換電池,不便于在較長時間內穩(wěn)定性地工作等缺陷;而在公開號為CN101526370A、發(fā) 明名稱為《遠控智能水表》的專利文獻公開了一種包括設有機電閥的基表及與基表連接 的CPU、水源進出口,計數(shù)干簧管及與CPU進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h程控制器;該技術采用干簧管 作傳感器、通過RS485總線與CPU結合對水表的水量數(shù)據(jù)及用水信息進行查詢處理、遠程控 制,其計數(shù)精度及抗干擾力均較差,電路復雜、通信模塊功耗較高;采用電池供電,又未提供 低電量報警功能,一是若水表終端的電池用盡、新的用水量將不被記錄,二是維護工作量及 排查難度在;此外,由于表頭工作環(huán)境較復雜,加之該系統(tǒng)未設置防護及去除干擾的裝置, 在潮濕、雷雨氣候條件下電磁等干擾頻繁,在使用中往往會發(fā)生查表出錯或誤斷水的情況。 因而,上述技術存在電路及結構復雜,功耗高、穩(wěn)定運行周期短且無低電量報警及對電磁及 雷擊干擾等的防護功能,以及隨之帶來的用水量不被記錄或誤斷水、查表出錯等缺陷。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對背景技術存在的缺陷,研究設計一種低功耗網(wǎng)絡智能水表表 頭及其使用方法,在準確測量、顯示用水量,實現(xiàn)遠程抄表的同時,采用低功耗的通信傳輸 方式、顯示器間斷顯示方式,并增設低電池電量報警及防電磁干擾的功能;從而達到大幅度 降低水表表頭的功耗,有效延長數(shù)字水表表頭中電池的使用壽命和時間,提高表頭工作的 穩(wěn)定性和可靠性,簡化表頭結構,有利于進一步提高網(wǎng)絡智能水表的推廣應用等目的。本發(fā)明的解決方案是取消背景技術中設于基表內的機電閥、以簡化表頭結構并消 除誤斷水的隱患;針對智能(數(shù)字)式網(wǎng)絡水表功耗最大的部分,多為數(shù)據(jù)通信單元、顯示 單元及微處理單元,而且常規(guī)表頭在大部分計數(shù)測量的空閑時間、通信信道空閑時間都處 于工作狀態(tài),顯示器亦處于長顯示狀態(tài),這是此類表頭高功耗的結癥所在。本發(fā)明采用低功 耗的通信傳輸方式、即在通信啟動時通信模塊采用遠程供電的形式,在微處理器部分采用在數(shù)據(jù)保持方式下呈低功耗的方式,顯示部分則采用僅在查表及校表(設置)時顯示(其 余時間不顯示)、且顯示清晰可靠的間隙式顯示方式,以克服背景技術功耗高的弊端;在電 源及其控制模塊中增設電池低電量報警電路、而在通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊中增設防電磁干擾 電路,以確保通信穩(wěn)定、可靠;本發(fā)明即以此實現(xiàn)其發(fā)明目的。因而本發(fā)明水表表頭包括帶 進、出水口的表頭殼體,設于殼體內流道中心的流量傳感器,含微處理器及與之連接的電源 及其控制模塊、流量數(shù)據(jù)采集模塊、顯示單元模塊、通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊在內的流程控制系 統(tǒng),關鍵在于在流程控制系統(tǒng)中還設有復位設置模塊;而在電源及控制模塊中還設有低電 量報警電路、在通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊中設有防電磁干擾電路;而所述通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊 為觸發(fā)式通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊,顯示單元模塊為間隙式顯示單元模塊;流程控制系統(tǒng)中 微處理器通過數(shù)據(jù)線分別與流量數(shù)據(jù)采集模塊、顯示單元模塊、通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊連接, 通過導線分別與電源及其控制模塊、復位處理模塊連接,而流量數(shù)據(jù)采集模塊通過數(shù)據(jù)線 與流量傳感器連接,電源及其控制模塊還通過導線與顯示單元模塊連接以直接向其提供電 源;整套流程控制系統(tǒng)固定于基板上后密封式固定于殼體內流量傳感器的上方與表頭視窗 之間的腔體內,供遠程抄表用信號線則經(jīng)通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊接口引出殼體外。上述微處理器為MCU微處理(控制)器或CPU微處理器。所述復位處理模塊包括 復位芯片及與之配套的JTAGE插座組成。所述觸發(fā)式通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊為在接收到遠程 控制指令后才啟動的觸發(fā)式通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊,該通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊在觸發(fā)工作時的 工作電源采用外電源遠程供電或由控制系統(tǒng)內的電池供電,當采用外電源遠程供電時其電 源線接口設于殼體外。而所述間隙式顯示單元模塊為僅在查表及校表設置時顯示(工作) 的模塊。所述低電池電量報警電路采用微電量閥值比較電路,該電路接于電源及其控制電 路與微處理器電源缺失引腳之間。所述防電磁干擾電路由包括采用肖特基二極管的防信號 反射電路及防沖擊電路組成。本發(fā)明表頭按常規(guī)方式接于管網(wǎng)中后,其使用方法為1.0:傳感器運行當用水閥門開啟后、水流帶動傳感器運行并輸出流量數(shù)據(jù)信 號;1. 1 微處理器啟動流量數(shù)據(jù)采集模塊采集到由步驟1. 0輸出的數(shù)據(jù)信號并輸入 微處理器、觸發(fā)其工作,在啟動計數(shù)時鐘單元進行計數(shù)、轉換、記錄和存儲的同時,使其余模 塊維持在待工作狀態(tài);1. 2 傳感器停止運行當用水閥門關閉后、傳感器停止運行,流量數(shù)據(jù)采集模塊 的輸出信號中斷,微處理器關閉計數(shù)時鐘單元;此時,包括流程控制系統(tǒng)在內的整個表頭轉 入待工作狀態(tài)4. 0 ;2. 0 當遠程控制指令發(fā)出時2. 1 通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊在收到遠程控制指令的同時、激活微處理器以控制通信 與數(shù)據(jù)傳輸模塊執(zhí)行通信或數(shù)據(jù)傳輸任務,并使其余模塊維持在待工作狀態(tài);2. 2 當步驟2. 1完成通信或數(shù)據(jù)傳輸任務后,微處理器中斷通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊 的工作,此時,包括流程控制系統(tǒng)在內的整個表頭又轉入待工作狀態(tài)4. 0 ;3.0:低電量報警3. 1 當控制系統(tǒng)內的電池進入低電量狀態(tài)時、低電量報警電路輸出報警信號,經(jīng) 微處理器開通通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊中的通信單元,向遠程控制端發(fā)送低電量警告信號;
3. 2 當步驟3. 1將低電量警告信號發(fā)送完畢后,微處理器使整個表頭轉入待工作 狀態(tài)4. 0 ;4. 0 表頭進入待工作狀態(tài)當傳感器及整個流程控制系統(tǒng)處于工作間隙時,整個 流程控制系統(tǒng)進入最低功耗的待工作狀態(tài)。本發(fā)明由于針對智能(數(shù)字)式水表表頭功耗最大的部分,多為數(shù)據(jù)通信單元、 顯示單元及微處理單元,且常規(guī)表頭在大部分計數(shù)測量的空閑時間、通信信道空閑(非工 作)時間都處于高耗能的工作狀態(tài),顯示器亦處于長顯示狀態(tài),是其功耗高的結癥;分別 采用低功耗的觸發(fā)式通信傳輸及遠程供電、間隙式顯示方式,使系統(tǒng)在非工作時間段均處 于待工作狀態(tài)、以有效降低表頭的功耗,并通過設置低電量報警功能、防磁干擾功能,確保 其工作的可靠性和穩(wěn)定性,與背景技術相比、在相同工作條件下本發(fā)明表頭的功耗僅為其 10-25%,在相同電池電源的條件下、本發(fā)明表頭不更換電池的有效使用時間可較背景技術 長3倍以上;而在通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊中增設了防電磁干擾電路,以確保通信穩(wěn)定、可靠, 并可滿足全天候通信要求;增設了復位處理功能模塊,既可便于初始數(shù)據(jù)的設置、又可為此 后的校表作業(yè)提供方便。因而,本發(fā)明具有在確保準確測量及顯示用水量、實現(xiàn)遠程抄表的 基礎上,大幅度降低了表頭的功耗、有效延長了數(shù)字水表表頭中電池的使用壽命和工作時 間,表頭工作穩(wěn)定、可靠,結構簡單、維護方便,并能滿足全天候通信及遠程抄表要求,有利 于進一步提高網(wǎng)絡智能水表的推廣應用等特點。
圖1為本發(fā)明流程控制系統(tǒng)電路結構示意圖(方框圖);圖2為本發(fā)明具體實施方式
流程控制系統(tǒng)基板結構示意圖(方框圖);圖3為本發(fā)明具體實施方式
流程控制系統(tǒng)電路圖。圖中1.微處理器,2.流量數(shù)據(jù)采集模塊,3.通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊、3-1.通信控制 芯片、3-2.防電磁干擾電路,4.顯示單元模塊,5.復位處理模塊,6.電源及控制模塊、6-1. 電池供電控制電路、6-2.外接電源及其穩(wěn)壓控制電路、6-3.常規(guī)穩(wěn)壓電路。
具體實施例方式附圖2、3分別為本實施方式控制系統(tǒng)基板結構示意圖(方框圖)及流程控制系 統(tǒng)電路圖。本實施方式中表頭殼體及設于其內的旋翼式流量傳感器均與同類常規(guī)表頭相 同;微處理器1 本實施方式采用自帶存儲單元、可固化微控制程序、低微功耗的型號 為MSP430FE4232的MCU微處理器;流量數(shù)據(jù)采集模塊2 由常規(guī)傳感器信號采集電路及整形濾波電路組成,電路輸 入端JIi接受來自(流量)傳感器的信號,通過整形濾波電路后,連接到微處理器1的外部 輸入端口 WGIOl和WGI02 ;通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊3 包括型號為maX3471的U21通信控制芯片3-1和分別由 陶瓷氣體放電管和肖特基二極管組成的防電磁干擾電路3-2,其輸入通過接口 J21外接;控 制芯片U21是一種RS485數(shù)據(jù)傳輸控制芯片,該芯片的兩個輸入端(A、B端)接受來自防 電磁干擾電路的輸出端,其輸出端分別接至微處理器MCU的RXD、TXD、R/D端,作為數(shù)據(jù)傳輸或控制信號傳送;而防電磁干擾電路3-2在數(shù)據(jù)讀入和傳輸時,RS485通信線路若出現(xiàn)干 擾過壓電壓,則可防止BA301N陶瓷氣體放電管(D21,D22,D23)瞬態(tài)擊穿接地,這樣可保護 通信線路信號穩(wěn)定,若通信線路出現(xiàn)過量電流PTC自恢復熱敏保險絲(D24,D25)隨溫度上 升自動斷路,待溫度回復正常后恢復導通;通過這樣的方式可保證水表終端電路的安全,提 高水表終端電路的抗干擾能力;在控制芯片(3-1)終端連接的由肖特基二極管組成(D26, D27,D28)匹配電路,既能有效阻止信號反射產(chǎn)生的干擾,又可以有效降低該功能模塊的能 耗;本實施方式將參數(shù)設置為當A、B線電壓差>=-50mV時,通信邏輯上表示為1,當A、 B線電壓差<= 450mV時,通信邏輯上表示為0。這樣的通信方式不僅能兼容以前的通信協(xié) 議,也能極大地減少通信功耗,其中D21、D22、D23型號均為BA301N,D24、D25為PTC熱敏 電阻,D26、D27、D28均為雙向瞬態(tài)二極管;顯示單元模塊4 采用型號為LCM826B的極低功耗IXD顯示器件,直接由MCU驅動, 本實施方式僅將在表頭復位、調試和校表過程中設置(處于)顯示狀態(tài),而其余時間均處于 不顯示(省電模式下)的待機狀態(tài),該器件在顯示工作狀態(tài)下為4 μ A(典型值)、在待機狀 態(tài)下則小于1 μ A,從而極大地降低了數(shù)字水表功耗;復位處理模塊2 由型號為U51的復位芯片及與之配套的型號為J61JTAGE的插座 組成,其功能是在表頭測試或者初始化時對微處理器MCU進行復位,復位信號接至MCU的復 位端RST/匪I ;復位操作產(chǎn)生的復位信號促發(fā)MCU復位,執(zhí)行初始化程序,通過J61 JTAGE插 座又可將控制程序寫入微處理器MCU中;電源及控制模塊6 本實施方式電源控制模塊包括電池供電控制電路6-1,外接電 源電壓穩(wěn)定控制電路6-2和常規(guī)穩(wěn)壓電路模塊6-3三部分;其中電池供電電路6-1由比 較電路組成,電池接于插口 J71處,通過電壓端VCC對微處理器MCU等進行供電,同時,該電 路對電池電壓進行監(jiān)測,通過電壓檢測線接入微處理器MCU的電壓檢測引腳(SVS)、檢測電 池電壓,當檢測到電池電壓低于警戒線時、微處理器MCU通過通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊3發(fā)出 警告;外接電源及其穩(wěn)壓控制電路6-2,本實施方式采用Voltreg芯片、通過接口 J73引入 RS485的電源線(或其他外接直流電源),并通過引線與微處理器MCU的Power INT線連接 進行電池和外接電源的切換;同時對通信和數(shù)據(jù)傳輸模塊3中的.通信控制芯片3-1供電; 常規(guī)穩(wěn)壓電路6-3采用型號為HT7533的芯片以穩(wěn)定輸入微處理器MCU的電壓。本實施方式所制得的表頭在使用中、按常規(guī)方式接于管網(wǎng)中后,即可按前述(P2 倒第1行-P3第18行)的方法使用。
權利要求
一種低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭,包括帶進、出水口的表頭殼體,設于殼體內流道中心的流量傳感器,含微處理器及與之連接的電源及其控制模塊、流量數(shù)據(jù)采集模塊、顯示單元模塊、通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊在內的流程控制系統(tǒng),其特征在于在流程控制系統(tǒng)中還設有復位設置模塊;而在電源及控制模塊中還設有低電量報警電路、在通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊中設有防電磁干擾電路;而所述通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊為觸發(fā)式通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊,顯示單元模塊為間隙式顯示單元模塊;流程控制系統(tǒng)中微處理器通過數(shù)據(jù)線分別與流量數(shù)據(jù)采集模塊、顯示單元模塊、通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊連接,通過導線分別與電源及其控制模塊、復位處理模塊連接,而流量數(shù)據(jù)采集模塊通過數(shù)據(jù)線與流量傳感器連接,電源及其控制模塊還通過導線與顯示單元模塊連接以直接向其提供電源;整套流程控制系統(tǒng)固定于基板上后密封式固定于殼體內流量傳感器的上方與表頭視窗之間的腔體內,供遠程抄表用信號線則經(jīng)通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊接口引出殼體外。
2.按權利要求1所述低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭,其特征在于所述微處理器為MCU微處 理器或CPU微處理器。
3.按權利要求1所述低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭,其特征在于所述復位處理模塊包括復 位芯片及與之配套的JTAGE插座組成。
4.按權利要求1所述低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭,其特征在于所述觸發(fā)式通信與數(shù)據(jù)傳 輸模塊為在接收到遠程控制指令后才啟動的觸發(fā)式通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊,該通信與數(shù)據(jù)傳 輸模塊在觸發(fā)工作時的工作電源采用外電源遠程供電或由控制系統(tǒng)內的電池供電,當采用 外電源遠程供電時其電源線接口設于殼體外。
5.按權利要求1所述低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭,其特征在于所述間隙式顯示單元模塊 為僅在查表及校表設置時顯示的模塊。
6.按權利要求1所述低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭,其特征在于所述低電池電量報警電路 采用微電量閥值比較電路,該電路接于電源及其控制電路與微處理器電源缺失引腳之間。
7.按權利要求1所述低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭,其特征在于所述防電磁干擾電路由包 括采用肖特基二極管的防信號反射電路及防沖擊電路組成。
8.按權利要求1所述低功耗網(wǎng)絡智能水表表頭的使用方法,其使用方法包括·1.0 傳感器運行當用水閥門開啟后、水流帶動傳感器運行并輸出流量數(shù)據(jù)信號;·1.1 微處理器啟動流量數(shù)據(jù)采集模塊采集到由步驟1. 0輸出的數(shù)據(jù)信號并輸入微處 理器、觸發(fā)其工作,在啟動計數(shù)時鐘單元進行計數(shù)、轉換、記錄和存儲的同時,使其余模塊維 持在待工作狀態(tài);·1.2 傳感器停止運行當用水閥門關閉后、傳感器停止運行,流量數(shù)據(jù)采集模塊的輸 出信號中斷,微處理器關閉計數(shù)時鐘單元;此時,包括流程控制系統(tǒng)在內的整個表頭轉入待 工作狀態(tài)4. ·0 ;·2.0:當遠程控制指令發(fā)出時·2.1 通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊在收到遠程控制指令的同時、激活微處理器以控制通信與數(shù) 據(jù)傳輸模塊執(zhí)行通信或數(shù)據(jù)傳輸任務,并使其余模塊維持在待工作狀態(tài);·2. 2 當步驟2. 1完成通信或數(shù)據(jù)傳輸任務后,微處理器中斷通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊的工 作,此時,包括流程控制系統(tǒng)在內的整個表頭又轉入待工作狀態(tài)4. 0 ;·3.0:低電量報警' 3. 1 當控制系統(tǒng)內的電池進入低電量狀態(tài)時、低電量報警電路輸出報警信號,經(jīng)微處 理器開通通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊中的通信單元,向遠程控制端發(fā)送低電量警告信號;'3.2 當步驟3. 1將低電量警告信號發(fā)送完畢后,微處理器使整個表頭轉入待工作狀態(tài)4. 0 ;'4.0 表頭進入待工作狀態(tài)當傳感器及整個流程控制系統(tǒng)處于工作間隙時,整個流程 控制系統(tǒng)進入最低功耗的待工作狀態(tài)。
全文摘要
該發(fā)明屬于網(wǎng)絡智能水表表頭,包括帶進、出水口的表頭殼體、流量傳感器,含微處理器及與之連接的設有低電量報警電路的電源及其控制模塊、流量數(shù)據(jù)采集模塊、間隙式顯示單元模塊、觸發(fā)式通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊及復位設置模塊在內的流程控制系統(tǒng);該發(fā)明采用低功耗的觸發(fā)式通信傳輸及遠程供電、間隙式顯示方式以有效降低表頭的功耗,其功耗僅為背景技術的10-25%,通過低電量報警、防磁干擾功能以確保其可靠性和穩(wěn)定性。因而具有測量及顯示用水量、遠程抄表準確,表頭的功耗極低、電池的使用壽命和工作時間長,表頭結構簡單、維護方便,能滿足全天候通信及遠程抄表要求,有利于提高網(wǎng)絡智能水表的推廣應用等特點。
文檔編號G08C19/00GK101915598SQ20101026469
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權日2010年8月27日
發(fā)明者劉乃琦, 林凡, 汪仕斌, 王興欣, 陳誠 申請人:成都品冠科技有限公司