一种无电源水表无线抄表系统的制作方法

本发明涉及抄表系统，具体涉及一种无电源水表无线抄表系统。

背景技术：

随着我国城市化进程的不断推进，家庭用水已从一家一户式转变为由企业统一为个体或单位提供。“一户一表，以表计量”的方法目前依然是公司作为计量家庭或单位用水用量的主要方法。该传统方法在水表数量较少，位置相对集中的条件下效果比较理想，但在表位置比较分散、水表数量较多的情况下，这种由专门人员负责抄表方式所存在的问题便会显露出来。比如，水表位置偏远，水表环境糟糕，水表排布零散等问题便给抄表人员的工作造成一定的阻碍，甚至会使得抄表不全面、因环境问题而误抄以及抄表工作持续时间长，工作量大。2015年中国江苏网报道了一篇关于“水表抄表员一天”的报道。文中指出，抄表员一天需要沿街走巷掀开200多用户的井盖，一个抄表水厂需雇佣50名抄表员工负责采集23万用户水表数据。同时，最终所采集水表数据要通过人工输入到互联网数据管理系统，这样不仅增加了人力劳动强度，也不利于现代化管理，导致个体家庭、单位和企业不能便捷地获得足够详细和准确的原始资料。检测技术在国民经济各领域和国防建设中有着广泛的应用。随着电子信息技术，计算机信息处理技术、网络技术和微电子技术的快速发展与应用，一些新科技在检测领域获得越来越广泛的普及。许多繁琐，耗时耗力的工作已逐步被新兴技术所简化，其中无线数据传输技术的优势在数据采集上表现的尤为突出。

我国水表数据无线抄表技术经过几十年的发展、提高和改良目前已形成比较成熟设备解决方案。现代化水表已从机械式水表发展为电磁脉冲式、磁卡式、光电管直读式、电子式等水表。其中电磁脉冲式是根据水表码盘发出信号，输出与水流量成正比的脉冲信号。水表内安装独立的数据处理芯片和电池。实际水流量数据处理芯片内部累加脉冲个数计算得出。磁卡式水表多集中水表位置安装较明显处，便于业主刷卡取水。磁卡式水表内部集成电路复杂，因其通过卡片内磁场的变化选择工作方式，所以水表的安装位置对环境要求较高，避免外界强磁场对水表进行干扰。水表的趋势是电子远传水表。但是目前电子远传水表存在的问题是无法全面普及，主要原因是机械水表的生产技术已趋于成熟，生产成本已可控于最低水平，销售市场也已稳定。但许多可适用于机械水表的操作方式，无法再适用于电子远传水表，比如存储。机械水表可以在存放多年，电子水表存储时间两年以上，电池便无法正常供电。目前电池的问题有很多新技术，如无线充电、柔性电池等，但因成本高，暂时无法民用化。

我国是人口大国，在经济正处于不断上升的阶段下，人民对生活水平提出了越来越高的要求，以往的生活问题解决方案越来越无法适应城市化的进程。人工抄表是一份效率低，工作量大，十分落后的工作方式。

技术实现要素：

本发明提出的一种无电源水表无线抄表系统，可解决传统人工抄表效率低，工作量大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种无电源水表无线抄表系统，包括依次连接的水表数据采集模块、数据传输模块及接收机模块，所述水表数据采集模块设置在水表码盘旁边，还包括自发电模块，所述自发电模块与水表数据采集模块连接；其中，所述自发电模块采用微型水流发电机，设置在水管中；还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别与自发电模块、水表数据采集模块及数据传输模块连接；

所述水表数据采集模块获取水表数据并同时完成对数据的处理；

所述数据传输模块实现数据的无线发射和无线接收；

所述接收机模块实现水表数据的接收、存储及显示；

所述自发电模块把水流转化到电能，实现系统自产电能。

进一步的，所述水表数据采集模块包括光电管传感器模块和数据处理采集器，所述光电传感器模块包括四组光电管，光电管设置在水表码旁边，水表码的码盘上设置过光孔，每组光电管包括五个红外发射管和五个红外接收管。

进一步的，所述数据传输模块包括无线发射模块和无线接收模块，数据传输模块采用E32-TTL-100型超低功耗无线串口模块。

进一步的，所述数据处理采集器包括采集器最小系统，采集器最小系统采用ATmege8单片机，还包括与ATmege8单片机的RESET端口相连的阻容复位电路和与ATmege8单片机的端口XTAL相连的晶体振荡电路，ATmege8单片机RXD端口与TXD端口分别与无线串口模块相连，所述ATmege8单片机的D端口作为光电管发射控制端，ATmege8单片机的B端口作为光电管接收检测端。

进一步的，所述电源管理模块还包括DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路采用XL6009升压型直流电源变换芯片，所述DC-DC升压电路输入电压范围是3-32V，3.7V蓄电池输出的电压作为DC-DC升压模块输入，输出电压根据可变电阻进行调节；端口2由外部电路控制决定芯片的使能，端口3输出一定频率的方波信号，此信号作为外围电路的开关输入信号；电感L起储能作用，D 1在端口3输出低电平的条件下截止，电感L与电容C₁₂、R2及R1组成回路放电电路，电感L是在D1导通的情况下向电容充电，D1是在端口3输出高电平时导通，当电容两端电压增加时，芯片输出电压升高，R2与R1组成芯片的负反馈电路，控制输出电压放大倍数，稳定芯片输出电压。

进一步的，所述自发电模块采用永磁直流发电机。

进一步的，所述接收机模块还包括DS1302时钟模块，AT24C16数据存取模块，LCD12864液晶显示模块和按键模块。

进一步的，所述AT24C16数据存取模块用于获取水表数据并进行写入和读取，内置2048个8位数据存储区，数据容量为16K。

进一步的，所述按键模块包括六个独立按键，不同编号按键对应ATmege8单片机不同I/O端口。

本发明通过微型永磁式直流发电机将水流能转换为可供系统使用的电能，这样不仅弥补电子水表供电问题或电池故障引起的计量误差，同时也大大降低了电子水表的后期维护工作。电子电路部分采用字轮编码的方式，通过对机械码盘相对位置编码的方式取得水表数据。该方案内置计算机芯片，电路复杂度低，无须外部供电，稳定性高，兼容性好，可以方便的适用于任何场所。本发明将大大降低人力工作量，提高抄表效率，节约水资源。同时，无线抄表系统的普及，也满足了人们对公共服务部门方便简单的要求，也有利于公共服务部门节约开支，节省人力，提高工作效率。

由上述技术方案可知，本发明的无电源水表无线抄表系统具有以下有益效果：本发明所要研究的内容是利用电子电路实现水表数据的采集，处理，传输和管理。该本发明涉及到电子测量技术、数字信号处理技术、计算机数据管理技术、无线数据传输技术。本发明的创新点如下：

(1)系统无需外部供电，由水流通过微型永磁式直流发电机产生系统所需的电能；

(2)基于ATmega8超低功耗单片机，采用光电管电子电路读取水表码盘数字对应的水表数据；

(3)水表数据无线传输，抄表人员只需在水表附近通过接收机设备便可获取水表数据当前值以及历史值；

(4)水表数据自动录入管理系统，无需人工繁琐录入。

附图说明

图1本发明系统整体设计图；

图2是本发明的系统整体结构框图；

图3是本发明水表数据采集器最小系统外围电路；

图4是本发明光电管设计电路连接图；

图5是本发明串口模块端口与单片机电气相连电路图；

图6是本发明DC-DC升压电路；

图7是本发明接收机核心外部电路；

图8是本发明LCD12864外围引脚；

图9是本发明AT24C16外围电路；

图10是本发明DS1302外围电路；

图11是本发明按键电路；

图12是本发明水表数据采集主程序流程图；

图13是本发明接收机程序流程图；

图14是本发明ATC24C02操作流程；

图15是本发明DS1302时钟操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例主要由系统自发电、水表数据采集、数据无线传输与显示三大部分组成。微型永磁式有刷直流发电机完成系统自产电能部分；控制芯片ATmega8通过检测光电管获取水表数据并同时完成对数据的处理，无线发射；433MHz串口模块完成数据的无线传输。接收机实现水表数据的接收，存储与显示。

如图2本实施例整体结构框图四组光电管固定安装在水表码盘两旁，每组光电管由五对红外发射管组成。码盘偏转角决定光电管导通数量。Atmega8根据光电管导通数量进行编码，确定水表数据并将其发射。接收机ATMEGA16通过无线接收模块对水表数据进行解码存储。

LCD12864显示水表数据与时钟。按键调整时钟与调取水表历史数据。

水流自发电方案，该部分主要实现水流能到电能转化。微型永磁式水流发电机的原理是发电机的叶轮在水管中固定流向水流产生的冲击力作用下旋转，从而驱动发电机发电，使水流能转化为电能。

就结构而言，发电机分为永磁式发电机和励磁式发电机。永磁式发电机磁场由发电机内部固定磁铁提供。自身构造相对于励磁式发电机简单，稳定性高，低速发电性能好。对于微型水流而言，发电机有永磁交流发电机和永磁直流发电机可供选择。系统需要在直流稳压条件下工作，选用永磁交流发电机需要外部电路对其进行整流，稳压，这样会大大降低发电的效率。因此，发电选用永磁直流发电机。永磁直流发电机装置经过多次试验，能在较低的水流下低速启动并输出较大的转矩。

电源管理方案，永磁式直流发电机产生的电能大小是由其内部线圈的磁场变化率决定的。在发电机线圈和磁场固定的条件下，发电机产生的电能与转子的转速正相关。在水流较小，发电机运转较慢条件下，其输出的电压无法满足锂电池充电电压要求，发电效低。为此，采用DC-DC升压电路。升压电路采用XL6009升压型直流电源变换芯片。该芯片内置N沟道的功率MOSFET和固定频率振荡器，有过充，过流，过温，高可靠性功能模块，系统集成度高，高效率，低成本。电源管理芯片使低速运转下的发电机产生的低电压通过升压电路达到锂电池充电电压，同时为系统提供+5V供电电压。

水表数据采集方案，水表数据采集是指利用电子电路获取当前水表的码盘显示数值。实现这一目的需要考虑三大因素：1)电路结构不影响水表对水流量的计量；2)电路机构具备很好的抗干扰能力；3)电路系统低功耗。根据以上三点要求提出以下三种水表数据采集方案。

方案一：CCD摄像头采集式。该方案可准确获取水表的码盘数据，并且系统可间歇工作。方案不足之处是电路复杂，成本高，抗干扰能力差，不适合用在环境恶劣的条件下。

方案二：电磁脉冲式。根据字轮旋转圈数计量水表数据。该方案电路结构简洁，费用低，不足之处是系统需不间歇工作。系统连续工作会使系统能耗增加，同时也降低了自身的抗干扰能力。当系统出现断电条件下，水表数据获取将发生错误。所以该方案不适合在低功耗场所使用。

方案三：光电管直读式。利用一组红外光电管的编码原理获取水表数据。此方案电路结构简单，成本低，不会对原水表的机械部分造成影响，同时由于系统采用光电管直读式，系统仅在接收到获取水表数据指令条件下被唤醒，所以极大降低了系统的功耗。该系统抗干扰能力强，可以在多种环境下连续长时间工作。

综上所述，从电路结构，成本，系统的稳定性三个方便考量，选择方案三。

数据处理控制器，水表数据采集控制芯片主要作用是对四组光电管的导通状态进行检测，然后编码检测到的五位二进制数，最后采用无线串口的方式发送数据。所以控制芯片主要考量的因素是功耗，抗干扰能力，I/O端口的驱动能力和芯片价格。为此，提出以下两种方案。

方案一：MSP430149单片机。该单片机有五种低功耗工作方式，内部资源丰富，运行稳定。但I/O端口输出电流最大只有6mA，驱动能力差，这样会增加外围电路的复杂程度。由于水表数据采集电路相对简单，只需要14个I/O引脚，而此单片机有六组48个I/O引脚可使用，因此使用该单片机会大大降低其内部资源的利用率，同时此单片机的价格也比较昂贵。

方案二：ATmege8单片机。该单片机采用5V供电，同样有五种低功耗工作方式，功耗极低。另外，ATmege8单片机有25个可编程I/O端口，使用者可任意定义I/O的输入/输出方向。当I/O端口设置为推挽输出时，输出电流最高可达40mA，驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载。这样可以降低光电管检测电路的复杂程度。该单片机价格中等，适合大规模使用。

综上所述，从水表数据采集控制器的功耗，I/O端口的驱动能力，抗干扰能力和价格上进行比较，方案二更适合。

水表数据无线传输方案，无线芯片有CC1100、CC2500、NRF2401、NRF905、NRF24L01等可供选择。水表数据采用无线传输的方式。传输方式要求数据传输稳定，纠错能力强，传输距离远，穿透能力强，功耗低等特点。为此，提出以下两种可选方案。

方案一：nRF24L01无线收发模块。该模块体积小，价格低，接口电路复杂，在恶劣环境条件下，数据传输不具有稳定性。另外，数据传输无纠错能力。

方案二：E32-TTL-100型超低功耗无线串口模块。该模块是一款基于SX1278的100mW的无线数传模块。模块载频为410-441MHz频段，数据收发采用无线串口透传方式，提升了无线技术的应用市场。该模块功率密度高，信号识别率强。同时具有很好的自主纠错能力，在干扰突发的条件下，能快速识别被干扰的数据并将其纠正，很好的确保了数据远距传输过程中可靠性。

综上所述，从数据无线传输的要求看，选择方案二作为水表数据无线传输模块。

水表数据接收机，接收机数据处理MCU采用AVR系列单片机，显示界面采用LCD12864液晶屏。单片机通过无线模块接收到水表数据，数据解码后存储至EEPROM。接收机设置有六个独立按键，可根据按键查看水表当前水表数据和历史水表数据。显示界面同时可显示当前时间。

水表数据采集器电路

水表数据采集器最小系统设计

水表数据采集器最小系统主要作用是检测四组光电管导通状态，依据光电管导通状态编码水表数据值。编码后的数值采用总线串口方式发送到水表数据接收机终端。因此，采集器最小系统是该课题的核心器件。

ATmege8单片机最小系统辅助硬件电路简洁易懂，主要有与单片机RESET端口相连的由阻容复位电路和端口XTAL相连的晶体振荡电路构成。单片机RXD端口与TXD端口与无线串口相连，D端口作为光电管发射控制端，B端口作为光电管接收检测端。本课题受电路板面积的限制，选用芯片内部8MHz晶振。单片采用ISP方式下载程序，支持在线编程。水表数据采集器最小系统外围电路如图3。

水表数据采集电路设计

水表码盘数据采集采用红外对射光电管最大的优点是电路结构简单，读码准确率高，对原机械水表的计量精度和机械性能无影响。光电管采集码盘偏转角的工作原理是：在水表数据每位各个码盘的两侧各自安装1组红外光电管，每组红外光电管由5个红外发射管和5个接收管组成。码盘中间制作出3个一定角度的过光孔，红外光线通过过光孔可以从码盘的一侧透射到码盘的另一侧。红外接收光电管与红外发射收管的安装位置是固定的。当水流经过水表时，码盘转动，过光孔的角度产生变化，相应发光管发出的光线透过码盘过光孔照射到码盘另一侧的数量和位置发生变化。即编码出码盘对应的0-9各个数值。四组光电发射管与光电接收管设计电路如图4。

四组红外对射管的发送端口与接收端口总线复用。单片机五个I/O端口控制四组红发发射管，5个I/O端口检测四组红外接收管的导通状态，四个I/O端口对四组红外对射管的工作状态进行位选，以确定单片机读取的编码值。

无线通信模块电路设计

E32-TTL-100是URAT接口半双工无线透传模块。模块载频为410-441MHz频段，数据收发采用无线串口透传方式，提升了无线技术的应用市场。该模块功率密度大，信号识别率高。

模块功能特点如下：

(1)模块采用完全透明传输方式；

(2)支持多种波特率；

(3)数据传输距离空旷条件下可达3000米；

(4)具备自主纠错能力；

(5)省电模式下功耗仅为十几毫安；

(6)模块2.3-5.5V供电，满足电池供电需求。模块最大发射功率可达100mW。

串口模块端口与单片机电气相连如图5。

E32-TTL-100串口无线模块端口说明如下表1。

表1串口无线模块引脚说明

水表数据采集器电源电路设计

水表数据采集器电源电路，针对水管水流具有微型，定向的特点。采用低阻抗，效率高，具有低速发电效果好的永磁式直流发电机。永磁式发电机产生的不稳定的电能首先存储于电池，电池输出的稳定电压通过DC-DC升压模块升高至系统的供电电压。DC-DC升压电路如图6。升压电路输入电压范围是3-32V。3.7V蓄电池输出的电压作为DC-DC升压模块输入，输出电压根据可变电阻进行调节。端口2由外部电路控制决定芯片的使能，端口3输出一定频率的方波信号，此信号作为芯片外围电路的开关输入信号。电感L起储能作用，D1在端口3输出低电平的条件下截止，电感L与电容C₁₂与R2和R1组成回路放电电路，芯片输出电压下降。电感L是在D1导通的情况下向电容充电，D1是在端口3输出高电平时导通，当电容两端电压增加时，芯片输出电压升高。R2与R1组成芯片的负反馈电路，控制输出电压放大倍数，稳定芯片输出电压。

水表数据接收机电路设计，水表数据接收机电路包含控制芯片AVR系列单片机，

E32-TTL-100型无线接模块，DS1302时钟模块，AT24C16数据存取模块，LCD12864液晶显示模块和按键模块。主要工作有水表数据的无线接收，解码，存储和显示。

接收机最小系统，接收机最小系统外围电路较为简洁，主要由与单片机RESET引脚相连的阻容式复位电路和与XTAL引脚相连的无源晶体振荡电路组成。系统在复位引脚置高的条件下重新启动。振荡电路在振荡时钟引脚上接两个30pF的电容和12MHz晶振。接收机核心外部电路如图7。

接收机显示电路，水流数据显示界面使用LCD12864液晶显示屏，该显示屏可8位并行和2线串行与MCU相连接。模块接口工作方式灵活多样，操作指令简洁易懂，通过不同的指令可实现多种人机交互式界面。模块内置8192个简体中文字库和128个ASCII字符集。可显示8×4行16×16点阵的汉字。模块同时具有低功耗的特点。同时，该模块在外围电路结构简洁，驱动程序易懂。且该模块的价格适中。LCD12864外围引脚如图8。

接收机水表数据存储电路

水表数据存储芯片采用AT24C16，该芯片可将手持接收机每次获取的水表数据进行写入和读取。AT24C16内置2048个8位数据存储区，数据容量为2K。先进的CMOS技术使得了器件的功耗降到最低。AT24C16有一个8字节页写缓冲器。该器件有独立的写保护功能，采用I²C总线协议进行操作。I²C总线只有两根双向信号线：一根是数据线SDA；另一根是时钟线SCL^[4]。AT24C16外围电路如图9。

AT24C16引脚说明如表2。

表2 AT24C16引脚说明

接收机时钟电路，DS1302可在外部晶振辅助下精确计算年份、月份、日期、周、小时、分钟、秒，且可识别闰年并自主进行补偿。芯片数据传输采用串行方式，可以通过指令关闭备用电源充电功能。芯片采用普通32.768kHz晶振。芯片分别外置外界电源和纽扣电源两个引脚。这样可以保证接收机在无外部供电的情况下系统时钟正常显示。DS1302时钟模块通过三条数据线与CPU的连接线，即SCLK、I/O、CE。DS1302时钟芯片外围电路如图10。

DS1302引脚说明如表3。

表3 DS1302引脚说明

接收机按键电路

该电路由六个独立按键组成，不同编号按键对应单片机不同I/O端口。MCU通过对I/O端口高低电平的识别实现显示界面的操控。

按键电路如图11。

按键说明如表4。

表4按键说明

水表数据采集主程序设计

ATmega8一组五位I/O端口设置输出模式，其输出电流最大可达40mA,串联限流电阻后可直接驱动红色发射二极管。一组五位I/O端口设置为输入模式，检测接收管的导通状态。一组四位I/O端口设置为输出模式，实现四位水表数据的顺序读取。水表数据采集主程序流程如图12。

单片机平时处于休眠状态，当抄表人员通过无线发射装置发出获取水表数据请求时，单片机将被唤醒，然后执行码盘状态的扫描，编码，发送。数据成功发射之后系统自动进入低功耗状态。所以，整体系统耗能非常低，只有在接收请求的情况下才工作。

水表数据接收机程序设计

水表数据接收机主程序设计

水表数据接收机由单片机模块，数据存储模块，时钟模块，数据显示模块，按键操作模块组成。接收机程序流程如图13。

接收机在正确接收数据后完成对数据的存储，显示。同时显示界面增加时钟显示功能，通过按键可对时间进行调整。

水表数据接收机显示程序设计

单片机通过void write_com(uchar com)函数以串行方式向LCD12864写入指令，确定数据显示的地址与显示效果，通过void write_date(uchar date)函数以串行的方式向LCD12864写入数据。LCD12864在初始化阶段完成基本指令的写入，光标开关指令的写入，清屏指令的写入，每条指令写入的过程中需要适当延时，以确保指令有效写入。

水表数据接收机数据存储程序设计

水表数据存储芯片AT24C16储存容量为16K，数据传送协议采用I²C总线式。I²C总线协议是在数据接收器件与数据发送器件之间进行操作，规定数据发送器件将数据传送到总线，数据接收器件是从总线上接收数据。发送器和接收器无特殊规定，二者可互换。AT24C16有三位地址线，能实现最多八个器件连接到总线上。本课题只需要一个器件，选择将地址线连接至Vcc，通过访问地址0xfa可实现芯片的读写。AT24C16操作流程如图14。

水表数据接收机时钟程序设计

DS1302时钟芯片内置多个不同功能的寄存器，与日历、时钟相关的寄存器有七个，数据存放形式为BCD码的格式。此外，DS1302内置日期、功能操作、电源管理、时钟抗干扰等其它功能寄存器。DS1302时钟芯片操作流程图如15。

DS1302时钟芯片操作过程中首先要关闭写保护，初始化过程中对预先设置的变量写入到日历与时钟寄存器中。在变量写入完后，拉高复位端，根据日历与时钟寄存器读取其中的BCD码数据。

键盘程序设计

六位独立按键完成时钟的调整，水表数据的获取和查看。采用I/O端口实时扫描的方式。按键1执行time_buf1[4]++语句，时单位上调；按键2执行time_buf1[4]--语句，时单位下调；按键3执行time_buf1[5]++语句，分单位上调；按键4执行time_buf1[5]—语句，分单位下调；按键5执行void Currentdata()函数，当前水表数据获取；按键6执行void historydata()函数，查找历史水表数据。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。