一种智慧型多模态数据交换水表的制作方法

本发明属于智能计量设备，尤其涉及一种智慧型多模态数据交换水表。

背景技术：

1、随着科技的快速发展，智能水表作为智能城市和智能家居的重要组成部分，其技术也在不断地演进和创新。以下是目前智能水表技术领域的背景技术概述：

2、传统机械水表：

3、传统机械水表主要通过叶轮或螺旋桨等机械部件来计量水流的体积。

4、优点包括结构简单、成本低廉。

5、缺点则是精度较低，易受水质、水温、磁场等外部因素的干扰，功能相对单一。

6、现有智能水表：

7、智能水表利用电子传感器、微控制器等电子元件来计量水流体积。

8、相较于机械水表，智能水表具有更高的计量精度和更强的抗干扰性。

9、提供了远程抄表、漏水报警、阶梯水价等先进功能。

10、mems技术：

11、微电子机械系统(mems)技术以其尺寸小、功耗低、精度高、可靠性高等优势，在智能水表中得到应用。

12、mems传感器能够实现更为精细和灵敏的水流检测。

13、区块链技术：

14、区块链作为一种分布式账本技术，以其去中心化、不可篡改和可追溯的特点，为智能水表的数据安全提供了新的解决方案。

15、rfid/蓝牙技术：

16、rfid技术利用射频信号进行自动识别和数据传输，而蓝牙技术提供短距离无线通信。

17、这些技术在智能水表中的应用使得数据的非接触式读写成为可能。

18、nfc技术：

19、近场通信(nfc)技术允许在非常短的距离内进行无线数据传输，便于实现快速、简便的设备连接和数据交互。

20、智能家居系统：

21、智能家居系统的普及要求智能水表能够与之无缝对接，实现家庭用水的智能管理。

22、尽管现有技术在智能水表领域取得了一定的进展，但仍存在一些局限性和挑战，例如数据安全问题、功能扩展性不足、用户交互方式有限等。

23、本发明旨在解决这些问题，通过集成多种先进技术，提供一种更为先进、安全、可靠且用户友好的智能水表解决方案。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种智慧型多模态数据交换水表，该水表融合了微电子机械系统mems技术、区块链数据管理、射频识别rfid/蓝牙通信技术以及近场通信nfc技术，有效提高供水行业的水量计量精度、数据安全性、功能扩展性和用户体验。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种智慧型多模态数据交换水表，包含mems传感器模块、区块链数据管理模块、多模态通信模块、智能家居系统集成模块、数据隐私与安全模块、智能化功能模块、模块化设计和维护模块、低功耗模块、环境适应性模块和系统集成模块；

4、其中，mems传感器模块，采用mems技术的高灵敏度微型水流传感器，用于捕捉并测量水流的微小变化，完成水量计量，实现水流的精确测量；

5、区块链数据管理模块，用于安全存储水表的读数和相关数据，确保数据的不可篡改性和透明性；

6、多模态通信模块，用于通过集成rfid、蓝牙和nfc技术，实现与不同智能设备的高效数据交换；

7、智能家居系统集成模块，用于通过设计标准化接口和智能合约，实现水表与智能家居系统的无缝集成；

8、数据隐私与安全模块，用于通过实施数据加密和安全认证机制，确保了水表数据在传输和存储过程中的隐私和安全；

9、智能化功能模块，用于在区块链平台上部署智能合约，实现自动抄表、漏水检测智能化功能：

10、模块化设计和维护模块，用于通过将水表的各个组件设计为可互换的模块，提高了产品的适应性和维护性；

11、低功耗模块，用于减少电子部件的能耗，以延长电池寿命并降低整体能源消耗；

12、环境适应性模块，用于确保水表能在各种环境条件下保持稳定性和可靠性；包含温度变化、湿度、压力、腐蚀性环境；

13、系统集成模块，用于将所有独立组件和技术整合到一个协调一致的系统中，确保整体性能最优。

14、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述mems传感器模块包含mems传感器、放大器、滤波器和模数转换器；所述mems传感器依次经过放大器、滤波器连接模数转换器。

15、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述mems传感器具体通过以下步骤实现水流的精确测量：

16、步骤a1，当水流通过水表时，水流的动量冲击mems传感器上的微型结构；

17、步骤a2，微型结构因水流冲击而发生形变，形变与通过水表的水量成正比；

18、步骤a3，mems传感器中的压电或电容元件将机械变形转换为电信号；

19、其中，压电转化，具体如下：f＝d·e；其中，f是作用力(牛顿),d是电压应变常熟，e是电场强度(伏特/米)；

20、电容变化，具体如下：

21、

22、其中，δc是电容变化(法拉)，δa是覆盖面积变化(平方米)，ε0是真空电容率，εr是相对电容率，d是极板间距(米)；

23、步骤a4，电信号经过放大和滤波，通过模数转换器转换为数字信号；

24、步骤a5，数字信号被进一步处理，获取关于流速和流量的精确信息；

25、其中，流量计算，具体如下：

26、

27、其中，q是流量(立方米每秒),v是流速(米每秒),a是管道横截面积(平方米)。

28、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述区块链数据管理模块的工作原理，具体包含如下步骤；

29、步骤b1，数据采集：水表通过内置的传感器实时采集用水量数据；

30、步骤b2，数据加密：采集到的数据在上传之前进行加密处理，确保数据在传输过程中的安全；

31、步骤b3，数据打包：将加密数据打包成区块，每个区块包含一组数据和一个指向前一个区块的哈希值，形成一个链式结构；

32、其中，哈希值：通常使用sha-256算法生成数据的哈希值，确保数据的一致性和完整性；

33、步骤b4，共识机制：通过区块链网络的共识机制，包含工作量证明pow或权益证明pos，验证并确认新区块的合法性；

34、其中，作量证明pow：通过解决复杂的数学问题来验证交易，确保网络安全；

35、权益证明pos：根据节点持有的货币数量和持有时间来选择区块创建者；

36、步骤b5，数据存储：一旦区块被验证和确认，被添加到区块链的末端，实现数据的永久存储；

37、步骤b6，数据查询：用户和授权人员通过区块链网络查询水表的读数和相关数据，数据由于区块链的特性而具有透明性和不可篡改性。

38、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述多模态通信模块包含rfid技术、蓝牙技术和nfc技术，其工作原理，具体如下；

39、rfid技术：利用射频信号识别和传输数据，适用于长距离识别和数据传输；

40、蓝牙技术：提供短距离无线通信，适用于低功耗设备，支持设备间的直接通信；

41、nfc技术：允许在非常短的距离内进行快速数据交换，常用于移动支付和近距离设备配对；

42、通过rfid技术、蓝牙技术和nfc技术的共同工作，使得水表能够与各种智能设备进行数据交换，实现以下功能：

43、远程抄表：用户可通过智能设备远程读取水表数据；

44、数据上传：水表自动将数据上传到智能家居系统或云服务器；

45、控制命令下发：用户可通过智能设备发送控制命令，包含水阀控制；

46、其中，信号强度：p＝pt-10·n·log10(d)；其中，p是接收信号强度，pt是发射信号强度，n是路径损耗指数，d是距离；

47、数据传输速率:r＝w·log2(1+snr)；其中，r是数据传输速率，w是信道带宽，snr是信噪比。

48、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述智能家居系统集成模块的工作原理，具体包含如下；

49、标准化接口设计：定义了一套标准化的通信协议和数据格式，使得水表能够与不同品牌的智能家居系统进行通信；

50、智能合约开发：利用区块链技术，开发智能合约来自动化执行与水表相关的操作，包含自动抄表、计费和安全监控；

51、其中，用水量计算，具体如下：v＝q·t；其中，v是用水量(立方米或升)，q是流量(立方米每秒或升每秒)，t是时间(秒)；

52、计费计算，具体如下：c＝v·p

53、其中，c是费用(元)，v是用水量，p是单价(元/立方米或元/升)；

54、漏水检测阈值，具体计算如下：t＝vmax-vnormal；其中，t是漏水检测阈值，vmax是正常用水的最大值，vnormal是正常用水量；

55、数据交换：水表通过标准化接口实时将数据发送到智能家居系统，同时接收来自系统的控制命令；

56、智能控制：智能家居系统根据水表数据和用户设定的规则，自动调整水表的工作状态，包含关闭水阀以防止漏水；

57、用户交互：用户可通过智能家居系统的界面，监控水表的工作状态，设置用水计划，或接收异常情况的警报。

58、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述数据隐私与安全模块的工作原理，具体包含如下；

59、数据加密：在数据离开水表前，使用加密算法对数据进行加密，确保数据在传输过程中即使被截获也无法被解读；

60、安全认证：在数据传输和接收过程中，使用安全认证机制验证数据的来源和完整性，防止数据被篡改；

61、访问控制：通过访问控制列表acl或角色基于访问控制rbac机制，限制对敏感数据的访问，只有授权用户才能访问或操作数据；

62、数据存储安全：在数据存储时，继续使用加密技术保护存储的数据，防止未授权访问；

63、安全审计：实施安全审计机制，记录所有对数据的访问和操作，以便在发生安全事件时进行追踪和分析；

64、其中，加密与解密：使用如aes、rsa等加密算法对数据进行加密和解密；

65、加密：c＝e(k,p)；

66、解密:p＝d(k,c)；

67、其中，c是密文，p是明文，k是密钥，e是加密函数，d是解密函数；

68、哈希函数:使用哈希函数生成数据的摘要，用于验证数据的完整性；

69、h＝h(p)；其中，h是哈希值，p是原始数据；

70、数字签名:使用数字签名确保数据的来源和完整性；

71、s＝sign(kprivate,p)；其中，s是数字签名，kprivate是私钥，p是原始数据。

72、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述智能化功能模块的工作原理，具体包含如下；

73、步骤c1，智能合约部署：在区块链平台上部署智能合约，包含自动抄表和漏水检测的逻辑；

74、步骤c2，数据采集：水表通过其传感器实时采集用水量和水压等数据；

75、步骤c3，自动抄表：智能合约根据设定的时间间隔自动触发，从水表读取数据并记录到区块链上，实现自动抄表；

76、步骤c4，漏水检测：智能合约分析水表数据，检测是否有异常流量，从而识别潜在的漏水情况；

77、其中，流量异常检测，具体如下：

78、异常流量＝|q当前-q正常|＞t；其中，q当前是当前流量，q正常是正常流量，t是预设的阈值；

79、漏水检测：

80、漏水警报＝异常流量×持续时间>t漏水；

81、其中，t漏水是漏水检测的阈值；

82、用水量统计:其中，v总是总用水量，qi是第i次测量的流量，ti是测量时间；

83、步骤c5，事件响应：一旦检测到漏水或其他异常情况，智能合约自动触发预定义的响应措施，包含发送警报或关闭水阀；

84、步骤c6，用户通知：系统通过智能家居系统或移动应用向用户发送通知，告知异常情况和采取的措施。

85、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述低功耗模块的工作原理，具体包含如下；

86、能效分析：对水表的各个电子部件进行能效分析，确定能耗主要来源；

87、睡眠模式：为不频繁工作的组件设计睡眠模式，在不工作时自动进入低功耗状态；

88、功率管理：实现动态功率管理，根据当前工作状态调整电压和频率；

89、通信优化：优化通信模块的工作周期，减少通信频率，只在必要时进行数据传输；

90、传感器节电：对mems传感器进行节电设计，减少待机功耗；

91、电池容量优化：根据能耗降低情况，重新评估电池容量需求，减小电池规格以降低成本和体积；

92、其中，功耗计算:p＝v×i；其中，p是功耗(瓦特)，v是电压(伏特)，i是电流(安培)；

93、电池寿命估算:

94、其中，电池寿命是电池能够持续供电的时间，e是电池容量(瓦时或安时)，p平均是平均功耗；

95、能量消耗:e消耗＝p×t；其中，e消耗是在时间t内消耗的能量。

96、作为本发明一种智慧型多模态数据交换水表的进一步优选方案，所述环境适应性模块的工作原理，具体包含如下；

97、步骤d1，环境因素分析：识别并分析水表可能遇到的各种环境因素，包括极端温度、湿度、水压、化学物质；

98、步骤d2，材料选择：选择适合的材料来抵抗环境因素的影响，包含使用耐腐蚀材料来制造水表外壳和内部组件；

99、步骤d3，密封设计：采用密封技术来保护水表内部组件免受水分和污染物的侵入；

100、步骤d4，温度补偿：设计温度补偿机制，确保在不同温度下水表的测量精度不受影响；

101、其中，温度补偿：q补偿＝q×(1+a×δt)；其中，q补偿是补偿后的流量，q是实际流量，a是温度系数，δt是温度变化；

102、步骤d5，压力和水锤防护：用于承受高水压和水锤冲击的结构，保证水表的机械稳定性；

103、其中，压力测试：p测试＝p正常+k×σ；其中，p测试是测试压力，p正常是正常工作压力，k是安全系数，σ是材料的应力。

104、步骤d6，抗干扰设计：实施电磁兼容性emc措施，减少外部电磁干扰对水表电子部件的影响。

105、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

106、1、本发明一种智慧型多模态数据交换水表，该水表融合了微电子机械系统mems技术、区块链数据管理、射频识别rfid/蓝牙通信技术以及近场通信nfc技术，提高供水行业的水量计量精度、数据安全性、功能扩展性和用户体验

107、2、本发明利用微电子机械系统(mems)技术，开发了一种新型的微型水流传感器，该传感器具备高灵敏度和测量精度，能够精确捕捉微小的水流变化，从而显著提高水表的计量精度和响应速度；引入区块链技术，为水表数据管理提供了一个高度安全的环境；通过去中心化存储，确保了数据的不可篡改性和透明性，增强了数据安全性，保护了用户和供水公司的利益；创新性地集成了rfid、蓝牙和nfc技术，实现了水表的多模态通信能力；这种集成不仅提升了水表与用户设备的兼容性，还提高了数据传输的灵活性和效率；

108、3、本发明设计了标准化的接口和智能合约，允许水表与智能家居系统进行无缝集成。这种集成使用户能够通过智能家居平台统一管理和控制家中的用水情况；实现了高级的数据加密和安全认证机制，确保了在数据传输过程中用户数据的隐私和安全，有效防止了数据泄露和未授权访问；通过智能合约和联动操作功能，水表能够自动执行抄表、漏水检测等任务。这些智能化功能不仅提高了水表的自动化水平，也为用户提供了更加便捷的用水管理方式；采用了模块化设计，各个组件和模块可以根据需要进行升级或更换，这不仅提高了水表的适应性和灵活性，还延长了产品的生命周期，降低了长期维护成本；

109、4、本发明智慧型多模态数据交换水表适用于多种应用场景，包括但不限于家庭、商业建筑、工业设施以及城市供水网络的智能监控和管理；通过这种水表，用户能够实现对用水量的实时监控、远程抄表、漏水检测、阶梯水价计费以及与智能家居系统的联动控制等功能；

110、5、本发明的水表还特别关注数据的安全性和透明性，通过区块链技术的应用，确保了水表数据的不可篡改性和可追溯性，为用户提供了一个高度可靠和信任的数据管理平台。同时，多模态通信技术的应用，使得水表在不同的使用环境下都能保持稳定的数据传输能力，增强了水表的通用性和灵活性。