3g自發電水錶的製作方法
2023-04-22 21:52:41 1
專利名稱：3g自發電水錶的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種使用自發電實現可計量給水的機電控制裝置，並將計量數據通過3G無線廣域網傳輸到消費者，具體說是ー種3G自發電水錶，以廣域網作為媒介，將水錶讀數數據穩定可靠地傳送到消費者接受平臺，免除了通常由外部供電和通訊所需要的電纜線布置，能夠實現能量自治的水錶。
背景技術：
目前為達到用水管理和節約用水為目的，市售的有布線式或預付費水錶，布線式水錶它們與遠程管理計算機之間的信息交換絕大多數也是採用有線485通訊的方式，具有布線困難，距離有限，成本増加的問題，而預付費水錶存在用戶因不能及時充值而停水的風限。所以可以將這種構造歸類為傳統的聯網式及預付費水錶。由於消費者使用水的場所多種多樣，尤其只是在近年才有用技術手段實行節約用水控制的要求，如果要在多樣繁複的環境中普遍實行水錶安裝，傳統的聯網式或預付費水錶的應用就有很多缺陷。首先，用水環境大多潮溼，電源線、通訊線都需要布設管道，在現存的建築物內再次施工將使安裝工程困難重重。即使新設計的建築，為聯網水錶安裝預留的電纜管道敷設對業主也是ー筆不小的投資；其次，銅質導線是貴金屬，普遍使用水錶要求建設成本不能太高，而聯網式水錶存在這些方面的諸多問題；再有，大範圍的民生應用場所採用現存的有線通訊方案，對可靠性、可用性、可維護性方面的要求並不亞於エ業級產品；除此之外，在潮溼的(如開水房、洗浴室等)環境中電源線的引入還存在人生命安全方面的隱患；對於工程公司或製造商而言，布線式水錶的故障排除和設備升級也是一個高成本的困難任務。
發明內容發明目的本實用新型的目的是針對以往布線式或預付費水錶的實際缺陷，提供一種無需電源和通訊布線、無需外部電源能夠實現能量自治、及時查詢消費和遠程管理的3G自發電水錶。技術方案本實用新型公開了ー種3G自發電水錶,它包括微控制器處理系統,微控制器處理系統分別與給水流量感知系統、給水閥門控制系統、狀態信息顯示系統、時鐘系統、3G無線網絡通訊系統、電能儲存監控系統相連；給水流量感知系統還與水流電能轉換系統相連；電能儲存監控系統還連接有能量收集轉換系統；所述的電能存儲監控系統還分別與水流電能轉換系統、給水閥門控制系統、狀態信息顯示系統、時鐘系統、3G無線網絡通訊系統相連。其中，所述的水流電能轉換系統包括安裝在供水管段中的水流動能發電機，水流動能發電機分別連接給水流量感知系統和變送器，變送器與電能儲存監控系統相連。本實用新型將轉換工作介質的動能為有效電能，通過能量收集、儲存和管理技術建立系統的工作電源；本實用新型_在最大限度地降低系統功耗；同時，本實用新型利用3G無線通訊技術實現管理數據的實時傳輸和管理。為了讓消費者和管理者更加便利、有效地使用，設計者採用了電子、機械、3G通訊以及信息管理等各種技術手段。通常，用戶端的3G自發電水錶包含了這樣幾種技術要素水流量傳感器；水流閥門控制器；實時時鐘電路晶片、數據存儲電路晶片、數據通訊物理層電路晶片、以及以微控制器為核心的控制單元。使用時，消費者只需要在電腦上或其他界面根據用戶號碼查詢，即可實時了解水錶消費數據給3G自發電水錶遠程計算機，可以通過3G網絡與水錶實現數據的交互，實時採集和匯總各類相關信息，通過各種業務模式保證消費者利益並同時實現對水錶管理與設置。該水錶具有開通，即時查詢消費，遠程監控和欠費通知等四大主要功能，能夠實現無需布線安裝和免人工抄表等節能減排降耗功效，消費者都可以即時查詢到每一塊表的消費和運行狀況。有益效果(I)本實用新型利用轉換工作介質的動能，既獲得了系統電源也省略了傳統的流量傳感器，將給水流量傳感器、給水閥門執行器、和基於電子與程序控制的嵌入式系統封裝成一體化的3G自發電水錶；(2) —體化的3G自發電水錶內所有電子和機械部件的系統工作電源不需要通過電纜連接外部能源獲得，系統所需能量完全來自一體化結構內置的水流動能發電機和其它能量收集、儲存轉換子系統，使得系統以一種極低功耗的運行策略能夠實現完全能量自治的應用；(3)3G自發電水錶內的嵌入式電子程序系統採用無線通訊的規範實現與外部世界的信息交換，免除了以金屬導線為通訊介質的需要。實現了真正意義上的無需布線的能量自主供應，在實際應用中能夠滿足消費者使用方便、業主經濟運營、工程和製造商方便維護的要求，最大限度地利用技術創新手段節約水資源降低碳排放。
圖1為本實用新型的結構示意圖。圖2為本實用新型的水流電能轉換系統的結構示意圖。
具體實施方式
下文結合附圖對本實用新型做更進一步的解釋。如圖1所示，本實用新型的一種3G預付費水錶，包括微控制器處理系統1，給水流量感知系統2、給水閥門控制系統4、狀態信息顯示系統5、時鐘系統6、3G無線網絡通訊系統7、電能儲存監控系統8相連；給水流量感知系統2還與水流電能轉換系統3相連；電能儲存監控系統8還連接有能量收集轉換系統9 ;電能儲存監控系統8還分別與給水閥門控制系統4、狀態信息顯不系統5、時鐘系統6、3G無線網絡通訊系統7、水流電能轉換系統3相連，為整個系統供電。微控制器處理系統1:使用MSP430微控制器作為無布線安裝3G自發電水錶的處理核心，這款16 bit (位)的處理器專門為極低功耗應用而設計該處理器只對幾個確定的事件，如，無線網絡通訊事務、能量消耗狀態告警、系統設定狀態越界做出「喚醒」響應，完成所有的檢測、控制和通訊事務。其餘時間將長期處於「睡眠」狀態，最大限度地減少能量的消耗。給水流量感知系統2 :即水流電能轉換系統3與微控制器處理系統I之間的接ロ，它利用水流電能轉換系統3中交流發電機輸出的正弦波形電壓經轉換得到頻率與水流流量成比例的脈衝信號，直接傳送到微控制器處理系統I作為給水流量以邏輯計數的信號源。水流電能轉換系統3 :水流電能轉換子系統3利用給水管道中流水的動能驅動微型水流動能發電機，進而為整個系統提供主要的工作電源。如圖2所示，水流電能轉換系統3包括安裝在水管管段中的水流動能發電機和變送器。水流動能發電機輸出經過變送器AC/DC (交流/直流)的轉換，供給電能儲存監控系統8，在電能儲存監控系統8的管理下為整個系統提供電源。變送器包括互相連接的AC/DC (交流/直流)轉換器和DC/DC (直流-直流)轉換器。由於水流動能發電機輸出的是交流電，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的給水流量感知系統2的信號源。這ー利用排除了對傳統流量傳感器的需要，使系統的結構更加緊湊，從而提高了系統的可靠性並降低了系統的實現成本。由於水流速率的變化，水流動能發電機的瞬時功率也隨之改變；為了從發電機獲得最大的功率，需要變送器精確地跟蹤發電機最大的功率點來決定負載的供電策略。針對發電機交流輸出經整流後30mV到3V的直流輸入電平，DC/DC轉換器可使用TI公司的bq25504。bq25504起到的主要作用是將輸入的直流電壓轉換為與系統中可重複充電電池電壓相匹配的電平。除此之外，bq25504在晶片內部有MPPT (最大功率點跟蹤)算法固件，能夠自動地跟蹤水流發電機電源的最大功率點，以獲得最高的轉換效率。當電池被充電達到設定值時將停止充電並發出充電完成的信號。針對發電機交流輸出經整流後300mV到大於20 V的輸入電平，DC/DC轉換器則可使用TI公司的bq24210。bq24210是針對輸出電壓高的發電機實現直流/直流的轉換工作。對於低輸入電壓，bq24210可以將其輸出提升到鋰電池標準充電電壓的電平；對於高的輸入電壓，bq24210則是ー個降壓的轉換器，始終保持其輸出在適合電池充電的電平上。bq24210內部也有MPPT (最大功率點跟蹤)算法固件，保證電池能夠從輸入電源中獲得最大效率的轉換功率。給水閥門控制系統4 :接收微控制器處理系統I的控制信號，驅動閥門執行機構按控制邏輯要求打開或關閉閥門，實現對水流的供應或截斷。狀態信息顯示系統5 :通常由發光二極體數碼顯示器或者液晶顯示器構成。用於顯示用戶消費、參數設置、系統狀態等信息。時鐘系統6:即時鐘電路。利用時鐘電路6為系統設置準確的時間參照基準。3G無線網絡通訊系統7 BP WCDMA2000，採用了順應3 GHz廣域網800M規範的低功耗無線連接性設計，例如3G無線網絡通訊系統7可採用中興公司的無線網絡系統級晶片MC8630模塊完成組網和通訊。這樣，作為ZigBee網絡節點的無布線安裝的給水錶本身就處於其規範條件具備的網狀網絡拓撲結構中，某一個給水錶可以充當該網絡的終端節點或者是該網絡中的路由節點。由於網狀拓撲結構的網絡具有非常高的連通可靠性，並且通過在無布線安裝的3G自發電水錶所處的網絡環境中的協調節點可以將該拓撲內任何節點的互聯信息傳送到遠程計算機主機上；反之亦然，這個特性不但使遠程計算機能夠可靠地收集全系統的消費數據並監控給水錶的狀態，還可以通過這個網絡為某個乃至所有的3G實行無電纜編程來升級和維護系統。[0027]電能儲存監控系統8 :即由可充電電池及充電電路、電能儲存電量測量電路、和充放電參數監控電路構成，進而為整個系統提供不受擾動且長期可靠的供電。能量收集轉換系統9 :主要收集給冷、熱水管道溫差提供的轉換電能、非金屬屏蔽空間中無線電射頻能量的轉換電能。通過對這些可利用能量的收集和轉換，能量收集轉換系統9可以將其及時得到電能補充到電能儲存監控系統8中，為無布線能量自治給水控制器的系統電能提供了另一種可靠的供給途徑。系統工作過程系統電源初次接通，微控制器處理系統I硬體復位以後設置各個子系統到初始工作狀態，這些子系統包括給水流量感知系統2、電能儲存監控系統8、3G無線網絡通訊系統7、時鐘系統6、給水閥門控制系統4、狀態信息顯示系統5。初始設置過程完成以後，微控制器處理系統I進入低功耗運行模式，即睡眠模式。在這個模式中，系統不會對外部世界產生控制效應，但3G無線網絡通訊系統7以極低的能量消耗仍然工作著。它們能夠監視外部世界相關信號，並據其性質使微控制器處理系統I脫離「睡眠模式」模式，工作原理分別敘述如下3G無線網絡通訊系統7以極低的能量消耗仍然工作著。它們能夠監視外部世界相關信號，並據其性質使微控制器處理系統I脫離「睡眠模式」模式，如果此時沒有其它工作模式並存也將其自身再次進入「睡眠模式」。當系統儲存的電能低於最小警戒水平時，電能儲存監控系統8將通過相應中斷信號向微控制處理系統I發出告警，使微控制處理系統I脫離「睡眠模式」。微控制處理系統I根據能量告警性質進入相應的處理程序，並決定後續的工作狀態。3G無線網絡通訊系統7根據來自無線網絡的特定訪問信息能夠觸發屬於網絡「喚醒」性質的中斷信號使微控制處理系統I脫離「睡眠模式」。微控制器處理系統I根據網絡通訊協議進入相應的處理程序，並決定後續的工作狀態。當系統脫離「睡眠模式」而處於正常給水工作狀態時，一旦閥門打開，水流電能轉換系統3就能利用工作介質的動能發電並轉換為適於存儲的形式到電能儲存監控系統8，同時也發出與水流流量成比例的交變信號到給水流量感知系統2，而給水流量感知系統2將流量信號發送到微控制器處理系統1，由其程序決定流量計費控制策略。當給水結束的條件發生時，給水閥門控制系統4將關閉閥門。微控制器處理系統I接收不到給水流量感知系統2的信號時，如果沒有其它任務就再次進入「睡眠模式」。所有的狀態顯示信息，都由微控制器處理系統I直接向狀態信息顯示系統5發布。微控制器處理系統I也通過3G無線網絡通訊系統7與外部世界建立連接，通過它信息可以傳遞到網絡上。目前由於全世界控制碳排放要求的形勢越來越緊迫，3G自發電水電錶以節約人力物力資源為目的，增強智能化管理為手段，利用國際通行的先進的3G技術融合成熟可靠的智慧卡技術，進一步創新開發有廣闊國內國際市場需求和前景的，關係到家家戶戶的水電錶，也迎合了目前國內集團管理和用戶水消費的細化服務和智能化管理精準、實時的需求。
權利要求1.一種3G自發電水錶,其特徵在於,它包括微控制器處理系統(I),微控制器處理系統(I)分別與給水流量感知系統(2)、給水閥門控制系統(4)、狀態信息顯示系統(5)、時鐘系統(6)、3G無線網絡通訊系統(7)、電能儲存監控系統(8)相連；給水流量感知系統(2)還與水流電能轉換系統(3)相連；電能儲存監控系統(8)還連接有能量收集轉換系統(9);所述的電能存儲監控系統(8)還分別與水流電能轉換系統(3)、給水閥門控制系統(4)、狀態信息顯示系統(5)、時鐘系統(6)、3G無線網絡通訊系統(7)相連。
2.根據權利要求1所述的一種3G自發電水錶，其特徵在於，所述的水流電能轉換系統(3)包括安裝在供水管段中的水流動能發電機，水流動能發電機分別連接給水流量感知系統(2)和變送器，變送器與電能儲存監控系統(8)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種3G自發電水錶，它包括微控制器處理系統，微控制器處理系統分別與給水流量感知系統、給水閥門控制系統、狀態信息顯示系統、時鐘系統、3G無線網絡通訊系統、電能儲存監控系統相連；給水流量感知系統還與水流電能轉換系統相連；電能儲存監控系統還連接有能量收集轉換系統；所述的電能存儲監控系統還分別與水流電能轉換系統、給水閥門控制系統、狀態信息顯示系統、時鐘系統、3G無線網絡通訊系統相連。本實用新型將轉換工作介質的動能為有效電能，通過能量收集、儲存和管理技術建立系統的工作電源；旨在降低電路晶片電能消耗，最大限度地降低系統功耗。
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 優先權日2012年9月25日
發明者趙曉明 申請人:南京三益動力電子系統有限公司