創(chuàng)意無極限，儀表大發(fā)明。今天為大家介紹一項國家發(fā)明授權(quán)專利——一種基于NB-IOT的無線智能遠傳水表。該專利由福州金澤科技有限公司申請，并于2018年1月12日獲得授權(quán)公告。
 
　　內(nèi)容說明
 
　　本發(fā)明涉及水表技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于NB-IOT的無線智能遠傳水表。
 
　　發(fā)明背景
 
　　現(xiàn)市面上絕大多數(shù)為機械式水表，需要人工進行抄表，費時費力；也有部份在非授權(quán)頻段下小無線水表，容易受到外界信號干擾，抄表效率低、出錯率高，并且這些水表功能單一，無法與時俱進，不能適應智能化社會進步需求。因此，在現(xiàn)有水表結(jié)構(gòu)的基本上，如專利號為201610214331 .4中公開的水表結(jié)構(gòu)，通過采用傳感器對水流流量信息進行采集，并增加無線抄表功能。
 
　　另外，目前使用最多的通過翻砂鑄造的水表鐵表殼，盡管通過噴塑處理可以減緩生銹的時間，但生銹是不可避免的，且飲用水中的氧化鈣容易給人的肝臟造成損害。銅表殼是國際上水表使用最廣泛的，但銅表殼所含的鉛也會對水質(zhì)產(chǎn)生二次污染。塑料表殼雖然對人體沒有危害，但經(jīng)不起日曬雨淋、高溫酷署、天寒地凍的惡劣環(huán)境，質(zhì)量不是很穩(wěn)定。鋁合金表殼是近年開發(fā)試用的，但鍍層難做到永久保護，鋁合金中含有對人體的危害元素也會對飲用者身體產(chǎn)生不利影響。
 
　　發(fā)明內(nèi)容
 
　　針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供型一種基于NB-IOT的無線智能遠傳水表，通過設置NB-IOT無線傳輸模塊，使水表工作在授權(quán)頻段，實現(xiàn)無線抄表。
 

 
圖為本發(fā)明的電路原理示意圖
 
　　本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：一種基于NB-IOT的無線智能遠傳水表，包括水表本體，水表本體內(nèi)設有上腔體和下腔體，水表本體上還設有使下腔體與外部連通的進水口和使上腔體與外部連通的出水口，下腔體內(nèi)設置有葉輪底座，上腔體內(nèi)設有與葉輪底座相連接的葉輪頂座，葉輪底座和葉輪頂座內(nèi)轉(zhuǎn)動連接有葉輪軸，葉輪軸下端固設有葉輪，葉輪軸上端同軸固設有磁鋼，水表本體還包括設置于上腔體內(nèi)的控制電路，控制電路包括MCU主控模塊、用以采集電壓信號或脈沖信號的傳感器模塊、用以顯示水流流量信息的顯示模塊、用以無線傳輸水流流量信息的NB-IOT無線傳輸模塊、以及用以異常報警的報警模塊；MCU主控模塊的輸入端與傳感器模塊的輸出端相連，用以將傳感器模塊采集到的信號轉(zhuǎn)換為水流流量信息，MCU主控模塊的輸出端與顯示模塊的輸入端連接，用以將轉(zhuǎn)換的水流流量信息顯示在顯示模塊上，MCU主控模塊的輸出端還與NB-IOT無線傳輸模塊的輸入端相連，用以將水流流量信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至云端服務器，MCU主控模塊還與報警模塊相連，用以接收報警觸發(fā)信號并發(fā)出報警信息；傳感器模塊包括一個以上步進電機傳感器與一個以上霍爾傳感器；每個步進電機傳感器包括固設于葉輪頂座上端面且位于磁鋼徑向旁側(cè)的高導磁定子片、連接于高導磁定子片兩端之間的線架鐵芯、及纏繞于線架鐵芯上的用以感應產(chǎn)生電壓信號的線圈；步進電機傳感器中線圈與MCU主控模塊的輸入端相連；各個霍爾傳感器均設置于磁鋼徑向的旁側(cè)，用以采集磁鋼產(chǎn)生的脈沖信號，同時兼能判斷葉輪正反轉(zhuǎn)，進行水流流量正反流計量；NB-IOT無線傳輸模塊的輸出端還連接有NB-IOT天線相連，NB-IOT無線傳輸模塊依次經(jīng)NB-IOT天線、NB-IOT蜂窩基站與云端服務器相連。
 
　　無線智能遠傳水表還包括與水表本體上端連接的水表外殼，無線智能遠傳水表還包括電源模塊，電源模塊包括與控制電路連接的用以為MCU控制電路供電的計量電池組以及與NB-IOT天線連接的用以為NB-IOT無線傳輸模塊以及NBIOT天線單獨供電的通訊電池；計量電池組設于水表外殼內(nèi)。由于電源模塊設置于水表本體外部電池盒內(nèi)，便于進行更換。
 
　　無線智能遠傳水表還包括用以對出水口進行限流的電動球閥，電動球閥包括旋轉(zhuǎn)設置于出水口中的能啟閉出水口的閥芯、連接于閥芯旁側(cè)的用來帶動閥芯旋轉(zhuǎn)的閥桿、以及與閥桿相連的齒輪減速電機；齒輪減速電機的輸入端與MCU主控模塊相連，齒輪減速電機的輸出端與閥桿的輸入端相連，齒輪減速電機通過閥桿帶動閥芯進行旋轉(zhuǎn)，閥芯的旋轉(zhuǎn)中心線與出水口中心線垂直相交。MCU主控模塊能夠通過NB-IOT無線傳輸模塊接收來自云端服務器的信號，控制齒輪減速電機工作，進而控制電動球閥轉(zhuǎn)動以關(guān)閉或開啟出水口。步進電機傳感器的數(shù)量為一個，霍爾傳感器的數(shù)量為一個或多個。
 
　　在實際使用過程中，管道中流動的水經(jīng)過該無線智能遠傳水表的進水口經(jīng)過整流器進入下腔體，水流推動葉輪轉(zhuǎn)動，帶動鑲在葉輪上端同心套設的磁鋼一起轉(zhuǎn)動，磁鋼通過轉(zhuǎn)動引起徑向N/S極磁場變化，安裝在磁鋼徑向旁側(cè)的兩種不同的傳感器(1個步進電機傳感器、1個或多個霍爾傳感器)同步取得葉輪轉(zhuǎn)動狀態(tài)；其中，步進電機傳感器中，磁鋼上產(chǎn)生的磁力經(jīng)高導磁定子片，磁傳遞至線架鐵芯，由于磁鋼轉(zhuǎn)動引起磁場變化產(chǎn)生切割磁力線，在線圈上感應產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)導線輸入MCU主控模塊；同時，霍爾傳感器采集磁鋼上產(chǎn)生電脈沖信號，并經(jīng)導線同步輸入至MCU主控模塊。為了提高精度，兩種傳感器分別針對葉輪的不同轉(zhuǎn)動速度進行采集信號，兩種傳感器能夠自動切換工作，當葉輪高速轉(zhuǎn)動時，即轉(zhuǎn)速≥5r/s時，步進電機傳感器進行信號采集，當葉輪低速轉(zhuǎn)動時，即轉(zhuǎn)速<5r/s時，霍爾傳感器進行信號采集。MCU主控模塊對同步脈沖信號進行方向判斷和計算，得到水流流量信息，并輸出至液晶顯示屏進行顯示以及通過NB-IOT無線傳輸模塊發(fā)送至云端服務器，NB-IOT無線傳輸模塊能夠工作在授權(quán)頻段，實線無線抄表，為后續(xù)自來水運營公司提供收費依據(jù)。運營公司平臺通過提取云端服務器中接收到的水表抄表數(shù)據(jù)，能夠連接至收費系統(tǒng)進行資費結(jié)算，同時能夠進行大數(shù)據(jù)分析運營，根據(jù)數(shù)據(jù)分析和各種報警通知運營公司的部門發(fā)出相應處理通知。
 
　　報警模塊包括拆表報警輸入模塊和用以發(fā)出報警信息的報警輸出模塊；拆表報警輸入模塊包括設置于水表本體內(nèi)表面用以檢測表殼是否受到按壓開啟的壓觸開關(guān)；若壓觸開關(guān)得到報警觸發(fā)信號并發(fā)送至MCU主控模塊，MCU主控模塊會通過NB-IOT無線傳輸模塊將報警觸發(fā)信號發(fā)送至云端服務器，運營公司能夠根據(jù)該信號采取相應的措施。顯示模塊包括9位8段碼液晶顯示屏，同時也能夠進行14位碼顯示。MCU主控模塊包括MSP430/STM32L單片機。NB-IOT無線傳輸模塊包括NB-IOT通信模塊。MCU主控模塊還連接有一SIM號碼卡，每個水表可通過SIM號碼卡得到唯一的編碼。進水口中設置有用以防止水流出現(xiàn)旋渦的整流器。葉輪底座的下方還設置有用以對流入葉輪底座的水進行過濾的過濾網(wǎng)，該過濾網(wǎng)能夠濾除水中的雜質(zhì)。線圈上設有引出接頭一、引出接頭二以及引出接頭三，引出接頭一和引出接頭三分別與一電容的兩端相連，電容與計量電池組相連接并對計量電池組進行充電，提高計量電池組的供電時間，延長水表的使用壽命；引出接頭二經(jīng)信號放大模塊、濾波模塊與MCU主控模塊的輸入端相連，MCU主控模塊對線圈上的電壓信號進行采集。
 
　　水表本體的表殼采用304食品級不銹鋼材料制成，上腔體與下腔體中的表芯結(jié)構(gòu)采用食品級材料制成。其中，304食品級不銹鋼材料由于具備健康、環(huán)保、使用壽命長等其他材料不可替代的獨特優(yōu)勢，將成為水表表殼最科學的替代材料。無線智能遠傳水表能夠采用以下兩種方案制成：方案一：先在3維軟件上造型，經(jīng)流體力學軟件仿真計算優(yōu)化設后，并出各部件圖，轉(zhuǎn)換成鈑金模式，展開為平面圖，再用精密激光切割機裁切出所需不銹鋼板，經(jīng)模具卷壓成形，再經(jīng)激光焊接成各部件結(jié)構(gòu)，后經(jīng)切口修整后，用工裝夾具定位，再經(jīng)五軸激光焊接成型毛坯；接著經(jīng)機加工車出各部位牙，經(jīng)表面噴砂后進形酸洗電解鈍化處理。方案二：把表殼分本左兩片式，3D造型好后做成沖壓整形模具，用1 .8-2 .5mm不銹鋼板沖壓成形左右兩片，再用激光焊接成表殼毛坯；接著經(jīng)機加工車出各部位螺紋，經(jīng)表面噴砂后進形酸洗電解鈍化處理。可見，通過激光精密切割與五軸激光機械手精密焊接能夠得到結(jié)構(gòu)緊湊，高度一致性，外觀精美的無線智能遠傳水表。
 
　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1、本發(fā)明中基于NB-IOT的無線智能遠傳水表，采用NB-IOT無線傳輸模塊，信號傳輸過程中，該水表能夠工作在授權(quán)頻段，將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器，實線無線抄表，為后續(xù)資費結(jié)算與大數(shù)據(jù)統(tǒng)計提供依據(jù)。2、本發(fā)明為了提高精度，采用一個步進電機傳感器與四個霍爾傳感器兩分別針對葉輪的不同轉(zhuǎn)動速度進行采集信號，多路傳感器能夠自動切換工作，當葉輪高速轉(zhuǎn)動時，即轉(zhuǎn)速≥5r/s時，步進電機傳感器進行信號采集，當葉輪低速轉(zhuǎn)動時，即轉(zhuǎn)速<5r/s時，霍爾傳感器進行信號采集。3、本發(fā)明中在出水口設置有進行限流的電動球閥，MCU主控模塊能夠通過NB-IOT無線傳輸模塊接收來自云端服務器的信號，控制電動球閥種的齒輪減速電機工作，進而控制電動球閥轉(zhuǎn)動以關(guān)閉或開啟出水口。4、本發(fā)明中水表本體的表殼采用304食用級不銹鋼材料制成，不易氧化生銹，上腔體與下腔體中的表芯結(jié)構(gòu)采用食品級材料制成，避免水表中的有害物質(zhì)滲入水中，對人體健康造成影響。由于304食用級不銹鋼材料由于具備健康、環(huán)保、使用壽命長等其他材料不可替代的獨特優(yōu)勢，將成為水表表殼最科學的替代材料。5、本發(fā)明通過設置于水表本體內(nèi)表面用以檢測表殼是否受到按壓開啟的壓觸開關(guān)，若壓觸開關(guān)得到報警觸發(fā)信號并發(fā)送至MCU主控模塊，MCU主控模塊會通過NB-IOT無線傳輸模塊將報警觸發(fā)信號發(fā)送至云端服務器，運營公司能夠根據(jù)該信號采取相應的措施。6、本發(fā)明中的線圈能夠為電容提供電能，電容通過與計量電池組相連接并對其進行充電，能夠提高計量電池組的供電時間，延長水表的使用壽命。7、本發(fā)明中基于NB-IOT的無線無線智能遠傳水表，具有結(jié)構(gòu)簡湊美觀可靠，強度高，重量輕，精度高，壽命長，成本較低等優(yōu)點
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