一种基于NB‑IOT的无线智能远传水表的制作方法

本发明涉及水表技术领域，特别是一种基于nb-iot的无线智能远传水表。

背景技术：

现市面上绝大多数为机械式水表，需要人工进行抄表，费时费力；也有部份在非授权频段下小无线水表，容易受到外界信号干扰，抄表效率低、出错率高，并且这些水表功能单一，无法与时俱进，不能适应智能化社会进步需求。因此，在现有水表结构的基本上，如专利号为201610214331.4中公开的水表结构，通过采用传感器对水流流量信息进行采集，并增加无线抄表功能。

另外，目前使用最多的通过翻砂铸造的水表铁表壳，尽管通过喷塑处理可以减缓生锈的时间，但生锈是不可避免的，且饮用水中的氧化钙容易给人的肝脏造成损害。铜表壳是国际上水表使用最广泛的，但铜表壳所含的铅也会对水质产生二次污染。塑料表壳虽然对人体没有危害，但经不起日晒雨淋、高温酷署、天寒地冻的恶劣环境，质量不是很稳定。铝合金表壳是近年开发试用的，但镀层难做到永久保护，铝合金中含有对人体的危害元素也会对饮用者身体产生不利影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供型一种基于nb-iot的无线智能远传水表，通过设置nb-iot无线传输模块，使水表工作在授权频段，实现无线抄表。

本发明采用以下方案实现：一种基于nb-iot的无线智能远传水表，包括水表本体，所述水表本体内设有上腔体和下腔体，所述水表本体上还设有使下腔体与外部连通的进水口和使上腔体与外部连通的出水口，所述下腔体内设置有叶轮底座，所述上腔体内设有与叶轮底座相连接的叶轮顶座，所述叶轮底座和叶轮顶座内转动连接有叶轮轴，所述叶轮轴下端固设有叶轮，所述叶轮轴上端同轴固设有磁钢，

所述水表本体还包括设置于所述上腔体内的控制电路，所述控制电路包括mcu主控模块、用以采集电压信号或脉冲信号的传感器模块、用以显示水流流量信息的显示模块、用以无线传输水流流量信息的nb-iot无线传输模块、以及用以异常报警的报警模块；所述mcu主控模块的输入端与所述传感器模块的输出端相连，用以将传感器模块采集到的信号转换为水流流量信息,所述mcu主控模块的输出端与所述显示模块的输入端连接，用以将转换的水流流量信息显示在显示模块上，所述mcu主控模块的输出端还与所述nb-iot无线传输模块的输入端相连，用以将水流流量信息通过无线网络发送至云端服务器，所述mcu主控模块还与所述报警模块相连，用以接收报警触发信号并发出报警信息；

所述传感器模块包括一个以上步进电机传感器与一个以上霍尔传感器；每个步进电机传感器包括固设于叶轮顶座上端面且位于磁钢径向旁侧的高导磁定子片、连接于高导磁定子片两端之间的线架铁芯、及缠绕于线架铁芯上的用以感应产生电压信号的线圈；所述步进电机传感器中线圈与所述mcu主控模块的输入端相连；各个霍尔传感器均设置于所述磁钢径向的旁侧，用以采集磁钢产生的脉冲信号，同时兼能判断叶轮正反转，进行水流流量正反流计量；

所述nb-iot无线传输模块的输出端还连接有nb-iot天线相连，所述nb-iot无线传输模块依次经nb-iot天线、nb-iot蜂窝基站与云端服务器相连。

进一步地，所述无线智能远传水表还包括与所述水表本体上端连接的水表外壳，所述无线智能远传水表还包括电源模块，所述电源模块包括与控制电路连接的用以为mcu控制电路供电的计量电池组以及与nb-iot天线连接的用以为nb-iot无线传输模块以及nb-iot天线单独供电的通讯电池；所述计量电池组设于所述水表外壳内。由于电源模块设置于所述水表本体外部电池盒内，便于进行更换。

进一步地，所述无线智能远传水表还包括用以对所述出水口进行限流的电动球阀，所述电动球阀包括旋转设置于所述出水口中的能启闭出水口的阀芯、连接于所述阀芯旁侧的用来带动阀芯旋转的阀杆、以及与所述阀杆相连的齿轮减速电机；所述齿轮减速电机的输入端与所述mcu主控模块相连，所述齿轮减速电机的输出端与所述阀杆的输入端相连，所述齿轮减速电机通过所述阀杆带动所述阀芯进行旋转，所述阀芯的旋转中心线与出水口中心线垂直相交。所述mcu主控模块能够通过所述nb-iot无线传输模块接收来自云端服务器的信号，控制所述齿轮减速电机工作，进而控制所述电动球阀转动以关闭或开启所述出水口。

进一步地，所述步进电机传感器的数量为一个，所述霍尔传感器的数量为一个或多个。

在实际使用过程中，管道中流动的水经过该无线智能远传水表的进水口经过整流器进入下腔体，水流推动叶轮转动，带动镶在叶轮上端同心套设的磁钢一起转动，磁钢通过转动引起径向n/s极磁场变化，安装在磁钢径向旁侧的两种不同的传感器(1个步进电机传感器、1个或多个霍尔传感器)同步取得叶轮转动状态；其中，步进电机传感器中，磁钢上产生的磁力经高导磁定子片，磁传递至线架铁芯，由于磁钢转动引起磁场变化产生切割磁力线，在线圈上感应产生电压信号，经导线输入mcu主控模块；同时，霍尔传感器采集磁钢上产生电脉冲信号，并经导线同步输入至mcu主控模块。为了提高精度，两种传感器分别针对叶轮的不同转动速度进行采集信号，两种传感器能够自动切换工作，当叶轮高速转动时，即转速≥5r/s时，步进电机传感器进行信号采集，当叶轮低速转动时，即转速＜5r/s时，霍尔传感器进行信号采集。所述mcu主控模块对同步脉冲信号进行方向判断和计算，得到水流流量信息，并输出至液晶显示屏进行显示以及通过nb-iot无线传输模块发送至云端服务器，所述nb-iot无线传输模块能够工作在授权频段，实线无线抄表，为后续自来水运营公司提供收费依据。运营公司平台通过提取云端服务器中接收到的水表抄表数据，能够连接至收费系统进行资费结算，同时能够进行大数据分析运营，根据数据分析和各种报警通知运营公司的部门发出相应处理通知。

进一步地，所述报警模块包括拆表报警输入模块和用以发出报警信息的报警输出模块；所述拆表报警输入模块包括设置于所述水表本体内表面用以检测表壳是否受到按压开启的压触开关；若压触开关得到报警触发信号并发送至mcu主控模块，所述mcu主控模块会通过nb-iot无线传输模块将报警触发信号发送至云端服务器，运营公司能够根据该信号采取相应的措施。

进一步地，所述显示模块包括9位8段码液晶显示屏，同时也能够进行14位码显示。

进一步地，所述mcu主控模块包括msp430/stm32l单片机。

进一步地，所述nb-iot无线传输模块包括nb-iot通信模块。

进一步地，所述mcu主控模块还连接有一sim号码卡，每个水表可通过sim号码卡得到唯一的编码。

进一步地，所述进水口中设置有用以防止水流出现旋涡的整流器。

进一步地，所述叶轮底座的下方还设置有用以对流入叶轮底座的水进行过滤的过滤网，该过滤网能够滤除水中的杂质。

进一步地，所述线圈上设有引出接头一、引出接头二以及引出接头三，所述引出接头一和引出接头三分别与一电容的两端相连，所述电容与所述计量电池组相连接并对所述计量电池组进行充电，提高计量电池组的供电时间，延长水表的使用寿命；所述引出接头二经信号放大模块、滤波模块与所述mcu主控模块的输入端相连，所述mcu主控模块对线圈上的电压信号进行采集。

进一步地，所述水表本体的表壳采用304食品级不锈钢材料制成，所述上腔体与所述下腔体中的表芯结构采用食品级材料制成。其中，304食品级不锈钢材料由于具备健康、环保、使用寿命长等其他材料不可替代的独特优势，将成为水表表壳最科学的替代材料。

特别地，所述无线智能远传水表能够采用以下两种方案制成：方案一：先在3维软件上造型，经流体力学软件仿真计算优化设后，并出各部件图，转换成钣金模式，展开为平面图，再用精密激光切割机裁切出所需不锈钢板，经模具卷压成形，再经激光焊接成各部件结构，后经切口修整后，用工装夹具定位，再经五轴激光焊接成型毛坯；接着经机加工车出各部位牙，经表面喷砂后进形酸洗电解钝化处理。方案二：把表壳分本左两片式，3d造型好后做成冲压整形模具，用1.8-2.5mm不锈钢板冲压成形左右两片，再用激光焊接成表壳毛坯；接着经机加工车出各部位螺纹，经表面喷砂后进形酸洗电解钝化处理。可见，通过激光精密切割与五轴激光机械手精密焊接能够得到结构紧凑，高度一致性，外观精美的所述无线智能远传水表。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中基于nb-iot的无线智能远传水表，采用nb-iot无线传输模块，信号传输过程中，该水表能够工作在授权频段，将数据传输至云端服务器，实线无线抄表，为后续资费结算与大数据统计提供依据。

2、本发明为了提高精度，采用一个步进电机传感器与四个霍尔传感器两分别针对叶轮的不同转动速度进行采集信号，多路传感器能够自动切换工作，当叶轮高速转动时，即转速≥5r/s时，步进电机传感器进行信号采集，当叶轮低速转动时，即转速＜5r/s时，霍尔传感器进行信号采集。

3、本发明中在出水口设置有进行限流的电动球阀，mcu主控模块能够通过nb-iot无线传输模块接收来自云端服务器的信号，控制电动球阀种的齿轮减速电机工作，进而控制电动球阀转动以关闭或开启出水口。

4、本发明中水表本体的表壳采用304食用级不锈钢材料制成，不易氧化生锈，上腔体与下腔体中的表芯结构采用食品级材料制成，避免水表中的有害物质渗入水中，对人体健康造成影响。由于304食用级不锈钢材料由于具备健康、环保、使用寿命长等其他材料不可替代的独特优势，将成为水表表壳最科学的替代材料。

5、本发明通过设置于水表本体内表面用以检测表壳是否受到按压开启的压触开关，若压触开关得到报警触发信号并发送至mcu主控模块，mcu主控模块会通过nb-iot无线传输模块将报警触发信号发送至云端服务器，运营公司能够根据该信号采取相应的措施。

6、本发明中的线圈能够为电容提供电能，电容通过与计量电池组相连接并对其进行充电，能够提高计量电池组的供电时间，延长水表的使用寿命。

7、本发明中基于nb-iot的无线无线智能远传水表，具有结构简凑美观可靠，强度高，重量轻，精度高，寿命长，成本较低等优点。

附图说明

图1为本发明的电路原理示意图。

图2为本发明的mcu主控模块的电路示意图。

图3为本发明的传感器模块的电路示意图。

图4为本发明的显示模块的电路示意图。

图5为本发明的nb-iot无线传输模块的电路示意图。

图6为为本发明的电源模块的电路示意图。

图7为本发明的水表结构示意图。

图8为本发明的是图7中磁钢、高导磁定子片、线架铁芯、线圈的结构示意图。标号说明：1为水表本体，2为上腔体，3为下腔体，4为进水口，5为出水口，6为叶轮底座，7为叶轮顶座，8为叶轮轴，9为叶轮，10为磁钢，11为高导磁定子片，12为线架铁芯，13为线圈，13-1为引出接头一，13-2为引出接头二，13-3为引出接头三，14为水表外壳，15为计量电池组，16为阀芯，17为阀杆，18为过滤网。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供了一种基于nb-iot的无线智能远传水表，如图1至图8所示，包括水表本体1，所述水表本体1内设有上腔体2和下腔体3，所述水表本体1上还设有使下腔体3与外部连通的进水口4和使上腔体2与外部连通的出水口5，所述下腔体3内设置有叶轮底座6，所述上腔体2内设有与叶轮底座6相连接的叶轮顶座7，所述叶轮底座6和叶轮顶座7内转动连接有叶轮轴8，所述叶轮轴8下端固设有叶轮9，所述叶轮轴8上端同轴固设有磁钢10，其特征在于：所述水表本体1还包括设置于所述上腔体2内的控制电路，所述控制电路包括mcu主控模块、用以采集电压信号或脉冲信号的传感器模块、用以显示水流流量信息的显示模块、用以无线传输水流流量信息的nb-iot无线传输模块、以及用以异常报警的报警模块；所述mcu主控模块的输入端与所述传感器模块的输出端相连，用以将传感器模块采集到的信号转换为水流流量信息,所述mcu主控模块的输出端与所述显示模块的输入端连接，用以将转换的水流流量信息显示在显示模块上，所述mcu主控模块的输出端还与所述nb-iot无线传输模块的输入端相连，用以将水流流量信息通过无线网络发送至云端服务器，所述mcu主控模块还与所述报警模块相连，用以接收报警触发信号并发出报警信息；

所述传感器模块包括一个步进电机传感器与一个或多个霍尔传感器；所述步进电机传感器包括固设于叶轮顶座7上端面且位于磁钢10径向旁侧的高导磁定子片11、连接于高导磁定子片11两端之间的线架铁芯12、及缠绕于线架铁芯12上的用以感应产生电压信号的线圈13；所述步进电机传感器中线圈13与所述mcu主控模块的输入端相连；所述霍尔传感器设置于所述磁钢10径向的旁侧，用以采集磁钢产生的脉冲信号，同时兼能判断叶轮正反转，进行水流流量正反流计量；

所述nb-iot无线传输模块的输出端还连接有nb-iot天线相连，所述nb-iot无线传输模块依次经nb-iot天线、nb-iot蜂窝基站与云端服务器相连。

在本实施例中，所述无线智能远传水表还包括与所述水表本体1上端连接的水表外壳14，所述无线智能远传水表还包括电源模块，所述电源模块包括与控制电路连接的用以为控制电路供电的计量电池组15以及与nb-iot天线连接的用以为nb-iot无线传输模块以及nb-iot天线单独供电的通讯电池；所述计量电池组15设于所述水表外壳14内。由于通讯电池设置于所述水表本体外部，便于进行更换；

在本实施例中，所述无线智能远传水表还包括用以对所述出水口5进行限流的电动球阀，所述电动球阀包括旋转设置于所述出水口中的能启闭出水口的阀芯16、连接于所述阀芯16旁侧的用来带动阀芯旋转的阀杆17、以及与所述阀杆相连的齿轮减速电机；所述齿轮减速电机的输入端与所述mcu主控模块相连，所述齿轮减速电机的输出端与所述阀杆17的输入端相连，所述齿轮减速电机通过所述阀杆17带动所述阀芯16进行旋转，所述阀芯的旋转中心线与出水口中心线垂直相交。所述mcu主控模块能够通过所述nb-iot无线传输模块接收来自云端服务器的信号，控制所述齿轮减速电机工作，进而控制所述电动球阀转动以关闭或开启所述出水口。

在实际使用过程中，管道中流动的水经过该无线智能远传水表的进水口经过整流器16进入下腔体3，水流推动叶轮9转动，带动镶在叶轮轴8上端同心套设的磁钢10一起转动，磁钢10通过转动引起径向n/s极磁场变化，安装在磁钢10径向旁侧的两种不同的传感器(1个步进电机传感器、1个或多个霍尔传感器)同步取得叶轮9转动状态；其中，步进电机传感器中，磁钢10上产生的磁力经高导磁定子片11，磁传递至线架铁芯12，由于磁钢10转动引起磁场变化产生切割磁力线，在线圈13上感应产生电压信号，经导线输入mcu主控模块；同时，霍尔传感器采集磁钢10上产生电脉冲信号，并经导线同步输入至mcu主控模块。为了提高精度，两种传感器分别针对叶轮的不同转动速度进行采集信号，两种传感器能够自动切换工作，当叶轮9高速转动时，即转速≥5r/s时，步进电机传感器进行信号采集，当叶轮9低速转动时，即转速＜5r/s时，霍尔传感器进行信号采集。所述mcu主控模块对同步脉冲信号进行方向判断和计算，得到水流流量信息，并输出至液晶显示屏进行显示以及通过nb-iot无线传输模块发送至云端服务器，所述nb-iot无线传输模块能够工作在授权频段，实线无线抄表，为后续自来水运营公司提供收费依据。运营公司平台通过提取云端服务器中接收到的水表抄表数据，能够连接至收费系统进行资费结算，同时能够进行大数据分析运营，根据数据分析和各种报警通知运营公司的部门发出相应处理通知。

在本实施例中，所述报警模块包括拆表报警输入模块和用以发出报警信息的报警输出模块；所述拆表报警输入模块包括设置于所述水表本体内表面用以检测表壳是否受到按压开启的压触开关；若压触开关得到报警触发信号并发送至mcu主控模块，所述mcu主控模块会通过nb-iot无线传输模块将报警触发信号发送至云端服务器，运营公司能够根据该信号采取相应的措施。

在本实施例中，所述显示模块包括9位8段码液晶显示屏，同时也能够进行14位码显示。

在本实施例中，所述mcu主控模块包括msp430/stm32l单片机。

在本实施例中，所述nb-iot无线传输模块包括nb-iot通信模块。

在本实施例中，所述mcu主控模块还连接有一sim号码卡，每个水表可通过sim号码卡得到唯一的编码。

在本实施例中，所述进水口4中设置有用以防止水流出现旋涡的整流器。

在本实施例中，所述叶轮底座6的下方还设置有用以对流入叶轮底座6的水进行过滤的过滤网18，该过滤网18能够滤除水中的杂质。

在本实施例中，所述线圈13上设有引出接头一13-1、引出接头二13-2以及引出接头三13-3，所述引出接头一13-1和引出接头三13-3分别与一电容的两端相连，所述电容与所述计量电池组16相连接并对所述计量电池组16进行充电，提高计量电池组16的供电时间，延长水表的使用寿命。所述引出接头二13-2经信号放大模块、滤波模块与所述mcu主控模块的输入端相连，所述mcu主控模块对线圈13上的电压信号进行采集。

在本实施例中，所述水表本体1的表壳采用304食品级不锈钢材料制成，所述上腔体2与所述下腔体3中的表芯结构采用食品级材料制成。其中，304食品级不锈钢材料由于具备健康、环保、使用寿命长等其他材料不可替代的独特优势，将成为水表表壳最科学的替代材料。

在本实施例中，所述无线智能远传水表能够采用以下两种方案制成：方案一：先在3维软件上造型，经流体力学软件仿真计算优化设后，并出各部件图，转换成钣金模式，展开为平面图，再用精密激光切割机裁切出所需不锈钢板，经模具卷压成形，再经激光焊接成各部件结构，后经切口修整后，用工装夹具定位，再经五轴激光焊接成型毛坯；接着经机加工车出各部位牙，经表面喷砂后进形酸洗电解钝化处理。方案二：把表壳分本左两片式，3d造型好后做成冲压整形模具，用1.8-2.5mm不锈钢板冲压成形左右两片，再用激光焊接成表壳毛坯；接着经机加工车出各部位螺纹，经表面喷砂后进行酸洗电解钝化处理。可见，通过激光精密切割与五轴激光机械手精密焊接能够得到结构紧凑，高度一致性，外观精美的所述无线智能远传水表。

值得一提的是，以上仅为本发明实施例中一个较佳的实施方案，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明方案所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。