CN113079222B - 用于水表管理的物联网*** - Google Patents

Abstract

一种使用成本低、计数准确和便于管理的用于水表管理的物联网***。包括应用于该窄带物联网中的若干个智能无线水表和对该***中的水表进行管理的后台水务管理中心，智能无线水表为数字秒通水表，在数字秒通水表与后台水务管理中心之间设有分别可与该数字秒通水表和后台水务管理中心进行无线通信的主节点设备，主节点设备为秒通网关或下载有专用APP软件且为用户持有的移动终端。该***由于采用了计数准确、机电计量数据一致且可快速收发信息的数字秒通水表和可快速与数字秒通水表互联的秒通网关，使得构成该物联网中的各单元之间的互联无需配对认证，其接收数据快、发送距离远。其大大有利于实现高效、可靠的远程抄表和管理。

Description

用于水表管理的物联网***

技术领域

本发明涉及物联网***，特别涉及一种用于水表联网的物联网管理***。

背景技术

供水计量关系国计民生，对于我国十几亿人口的大国，建立高效、廉价应用和计数精准的民用水表物联网管理***非常重要。

目前，随着窄带物联网（又称NB-IoT网）的推出，业内着实狠狠火了一把，一时风头无两。运营商为了抢占地盘，基站建设更是星罗棋布，资费史无前例1折，甚至0.5折，这种恶性竞争导致如下不良现象。

1）这种廉价低质的竞争，使正规的水表厂商经营受困。

2）物联网应用持续性较差。虽然公共网络通信质量稳定、可靠，但其仅是实现物联网通信信道的一种应用工具，而物联网的应用是否得以广泛和长久，就水表物联网而言，根本在于应用于该物联网中的智能水表的计数是否精准、上传信息是否快速、用户使用是否便捷以及该智能水表制造和使用成本的高低来决定。目前，NB-IoT物联网水表大多采用价格在280-450元的结构复杂和高制造成本的智能水表，与普通水表60-70元的价格相比存在巨大的差距，未来无论增量或存量，将普通水表转换为NB-IoT物联网水表的困难都很加大，这就是我们行业发展的痛点。

3）高额的使用费导致应用该物联网的用户数量较少，同时，用水和收费涉及的管理问题较多。

物联网水表抄表的核心目的之一是方便监测用水量以及后续的收费，在远传水表兴起之前，IC卡水表曾独领风骚十数年。IC卡预付费水表具有先付费后消费的特点，大大减轻了供水公司经营现金流的压力，但也存在两个无法克服的致命缺陷，以至于这些年限制了IC卡产品的进一步发展。其一，IC卡水表的控制是开环的，即，预售水费转换成用水立方数之后一直到下一次售水之前，供水公司无法实时监控用户的实际用水量情况，这其中的管理乱象或许只有当事人才有体会。其二，IC卡水表通过脉冲累计扣减预售水量，由于脉冲累计计数值会受外部环境诸多因素（如外部磁场干扰、水锤现象等因素）干扰，导致其与水表实际流量计量值存在较大的误差，因此，该现象常常引起较多的消费纠纷（用水户与收费管理部门之间的纠纷）。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使用成本低、计数准确和便于管理的用于水表管理的物联网***。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下。

本发明的用于水表管理的物联网***，包括窄带物联网、应用于该窄带物联网中的若干个智能无线水表和对该***中的水表进行管理的后台水务管理中心，其特征在于：所述智能无线水表为数字秒通水表，在所述数字秒通水表与后台水务管理中心之间还设有分别可与该数字秒通水表和后台水务管理中心进行无线通信的主节点设备，所述主节点设备为秒通网关或下载有专用APP软件且为用户持有的移动终端；所述数字秒通水表的主控电路中的水表蓝牙芯片以广播通信方式定时将该数字秒通水表的运行状态、表号、字轮组累积电子计数值和指针组累积电子计数值对应的数据信号发送给所述的秒通网关并由该秒通网关透传给所述后台水务管理中心，所述秒通网关的控制电路中的网关蓝牙芯片以广播通信方式向数字秒通水表透传由所述后台水务管理中心发出的针对该数字秒通水表相关参数进行重新设置的数据信号；或者，所述数字秒通水表的主控电路中的水表蓝牙芯片以广播通信方式定时将该数字秒通水表的运行状态、表号、字轮组累积电子计数值和指针组累积电子计数值对应的数据信号发送给所述的移动终端并由该移动终端通过互联网传给所述后台水务管理中心，所述移动终端将通过互联网接收到的由后台水务管理中心发出的针对该数字秒通水表相关参数进行重新设置的数据信号通过蓝牙通信传给该数字秒通水表。

在所述数字秒通水表的主控电路中还设有清零模块，该清零模块在所述字轮组累积电子计数值中个位字轮的电子计数值为0、1、2…或9时，将所述指针组累积电子计数值清零。

所述字轮组累积电子计数值由设置在数字秒通水表中的角度传感器组件采集，该角度传感器组件由设置在与所述个位字轮按1：1传动比啮合的传动介轮上的永久磁片和可检测该传动介轮旋转角度的角度传感器构成，所述角度传感器定时将采集到的所述传动介轮转动的介轮位置信息对应的介轮电信号发送给所述的主控电路并由该主控电路依据介轮位置信息和累积的介轮旋转圈数计算得出所述的字轮组累积电子计数值。

所述指针组累积电子计数值由设置在数字秒通水表中的霍尔传感器组件采集，所述霍尔传感器组件定时将采集到的驱动计量万分之一立方水量的最低位齿轮的低位指针旋转信息对应的低位指针电信号发送给所述的主控电路中的水表主控芯片并由该水表主控芯片甄别后得出所述的指针组累积电子计数值。

为所述秒通网关的控制电路提供的电源为3.6V直流电池。

在所述秒通网关的控制电路中还设有射频收发电路，该射频收发电路与用户持有的用水IC卡进行通信连接并将所读取的用户IC卡信息上报给所述的后台水务管理中心。

所述数字秒通水表和秒通网关以广播通信方式发出的信号的有效覆盖区直径达200米。

所述数字秒通水表中的主控电路与设置在叶轮盒内的驱动各指针转动的齿轮传动组件密封隔离。

所述永久磁片以异性磁极沿传动介轮径向相对的方式设置在该传动介轮的上表面上，所述角度传感器设置在正对永久磁片且位于数字秒通水表的透明表封盖的外表面上。

在所述透明表封盖之下且位于指针盘的旁侧设有一个反映计量流体是否流动的监控指针，该监控指针通过其下端的齿轮组与所述的最低位齿轮同步旋转，其间的传动比为1：1，所述霍尔传感器组件中的三个霍尔传感器位于透明表封盖上环绕该监控指针周边均匀设置；所述低位指针旋转信息为最低位齿轮的旋转方向信息、旋转圈数信息和因外界干扰致使该最低位齿轮在某一设定位置左右轻微转动的抖动信息。

本发明的用于水表管理的物联网***由于采用了计数准确、机电计量数据一致且可快速收发信息的数字秒通水表和可快速与数字秒通水表互联的秒通网关，使得构成该物联网中的各单元（数字秒通水表、秒通网关、用水户的手机APP和抄表管理平台）之间的互联无需配对认证，其接收数据快、发送距离远。又由于数字秒通水表是在普通水表的基础上改进的，使得该数字秒通水表制造成本大幅度降低（与现有技术中应用于物联网中的智能水表相比）。秒通网关采用直流电池供电，适于安装在无外供电源的环境，其具有IC卡激活功能，方便用户充值、缴费，同时主动联系管理平台，上传设置在秒通网关的蓝牙通讯范围内的数字秒通水表的用水信息以及该水表的运行状态，接收管理平台发出的包含缴费信息、开关阀等在内的操作执令，实现远程抄表和管理。

附图说明

图1为本发明的物联网***架构示意图。图2为图1物联网***应用的数字秒通水表的表盘面示意图。图3为图2中去除PCBA板后的示意图。图4为图2中A－A向剖视图。图5为数字秒通水表的侧视图。图6为图3去除透明表封盖后的示意图。图7为图6的左侧视图。图8为图6的右侧视图。图9为图2中的PCBA板的示意图。图10为图9的右侧视图。图11为数字秒通水表主控电路的电路原理图。图12为图11中A框电路的放大示意图。图13为图11中B框电路的放大示意图。图14为秒通网关控制电路的电路原理图。图15为图14中C框电路的放大示意图。图16为图14中D框电路的放大示意图。图17为图14中E框电路的放大示意图。图18为图14中F框电路的放大示意图。

附图标记如下：数字秒通水表1、表壳2、叶轮盒3、叶轮31、计数器盒4、下夹板41、上夹板42、齿轮传动组件5、最低位齿轮51、监控指针52、齿轮组53、字轮组6、个位字轮61、中驱耦合轮62、指针盘63、传动介轮7、透明表封盖8、直读窗孔81、PCBA板9、检测部件91、角度传感器92、永久磁片93、第一霍尔芯片U1、第二霍尔芯片U2、第三霍尔芯片U3、水表蓝牙芯片U4、角度检测芯片U5、水表稳压芯片U6、水表主控芯片U7、网关主控芯片U8、网关蓝牙芯片U9、NB-IOT通信芯片U10、网关稳压芯片U11、数据存储芯片U12、唤醒电子开关U13、无线射频芯片U14。

具体实施方式

一、构思。

本发明的用于水表管理的物联网***涉及的技术方案是基于以下情况产生的：截止2019年，国内相对独立经营管理的城镇供水企业超过几千家。一方面，水务行业管理不集中，导致各地方的供水企业各自为战，带来了水表采购分散，涉水产品市场的销售壁垒陡然增高（即水表厂家为了开拓市场，采用传统的销售模式，令销售人员逐家用户的去跑，销售难度和成本巨大）；另一方面，行业准入门槛低，水表制造企业经营规模小、集中度低，即使其中的几家老字号的水表企业，其营收总和也未超过国内20%的市场份额，其余大多数企业的年营收规模在2～3000万元，水表制造企业的老板们至今仍未摆脱卖产品赚差价的传统经营思维，可以预见，国内千余家水表及其配件生产企业未来几年的市场竞争将更趋惨烈。

物联网的本质就是数字经济，是商业模式深层价值挖掘的源泉，如果物联网水表及其***得不到全面覆盖，其所获取的数据将毫无意义，也无法据此设计有效的商业模式和完成有效迭代。全球物联网水表产业起步晚，业内企业规模小，专业人才匮乏，行业缺少规范自律且无序竞争，市售产品大多都是基表加模块拼凑出来，既不存在顶层逻辑设计，各厂家也没有对现有资源进行合理规划。

因此，有必要设计一种持续盈利的商业模式，合理有序地进行垂直资源整合，构建互惠互利的合作创新机制，达成各合作主体之间的共同利益，促进物联网水表生态***的增值与繁荣。本发明涉及的技术方案，就是要解决上述技术问题，以使中国水表制造企业赚钱更轻松，同时借助区块链技术解决买卖双方信用不对称的问题，将更适用、更好用、更便宜的产品推送给客户。

二、比较。

各类通信技术的特点分述如下。

业余频段无线通信技术（俗称：小无线）：指433或470MHz业余频段，常用于点对点通信，通信频段易受干扰。

LoRa：低功耗，大容量，支持测距与定位。LoRaWAN自组网络机制复杂，一般企业不愿意研究，大多数情况更愿意当无线模块使用。

蓝牙：蓝牙采用跳频技术，可实现固定设备、移动设备之间的短距离数据交换，蓝牙5.0具有如下优点：更快的传输速度，更远的有效距离，导航功能，更多的传输功能，更低的功耗。

NB-IoT：在低速率业务应用场景下，其优势如下：低功耗，低成本（相对而言），海量连接，广覆盖。

三、本发明方案。

如图1所示，本发明的用于水表管理的物联网***由互联网平台（优选所述的NB-IoT网）、若干个数字秒通水表（也称蓝牙表）1、若干个秒通网关（也称NB网关）和后台水务管理中心（以下也称抄表管理平台或平台）组网，数字秒通水表1和秒通网关均设置为广播通信方式接收和发送信息。

数字秒通水表1的特点为：直读（整数位抄表）+脉冲（小流量监测）+以广播通信方式传输信息的蓝牙模块；秒通网关的特点为：无需与数字秒通水表1进行蓝牙通讯配对，其为采用广播通信方式传输信息的蓝牙模块+IC卡读卡器+NB-IoT，设置在秒通网关的蓝牙通讯范围内的任何数字秒通水表1的数据都能被其实时采集到。只有这样才能既解决水表的可靠抄读及通信问题，又满足廉价组网及实现本地付费问题，由此可以解决困扰了供水行业多年的水表物联网化发展瓶颈的难题。

上述“整数位”是指个位、十位、百位、千位等立方数量级的数字计数；上述“小流量”是指十分之一、百分之一、千分之一、万分之一等立方数量级。

（一）数字秒通水表1。

1、其发挥的优势如下：1）直读+脉冲，有效解决脉冲采样累积误差的技术难题；2）蓝牙广播快速通讯，无需配对，解决廉价组网难题；3）基表+电子控制模块为可快速拆装结构，方便日常维护及到期强检置换；4）防护等级：IP68，防水防潮性能优异；5）超低功耗，使用寿命超过6+1年；6）安装简便，***构建轻松快捷；7）成本低，该产品市场对标普通水表的大规模应用以及城镇旧改置换（比如：以旧换新）工程。

2、数字秒通水表1的结构。

数字秒通水表1（以下也称水表）包括机械结构和设置其中的主控电路。

1）水表1的机械结构。

该水表1为直读计数器与指针计数器相结合的水表，直读计数器是指直接读取以数字显示流量数值的计数器，指针计数器是通过采用指针指示显示流量数值的计数器。

如图2-图10所示，水表1由下至上分别包括表壳2、叶轮盒3、叶轮31、计数器盒4、下夹板41、齿轮传动组件5、齿轮组53、监控指针52、字轮组6、中驱耦合轮62、传动介轮7、上夹板42、透明表封盖8和设置主控电路的PCBA板9。

如图2、图3、图4、图5、图6所示，叶轮盒3安装在表壳2内，叶轮31置于叶轮盒3中，当计量的水介质穿过叶轮盒3流动时，流动的水介质会拨动叶轮31旋转。计数器盒4以与叶轮盒3密封隔离的方式安装在叶轮盒3之上，即计数器盒4与叶轮盒3之间安装有密封胶圈以防止叶轮盒3中的水进入计数器盒4中。

上夹板42与下夹板41安装在计数器盒4内，所述齿轮传动组件5、字轮组6安装在上夹板42与下夹板41之间，所述叶轮31的上端穿过计数器盒4通过驱动轮与所述齿轮传动组件5中最低量级的驱动齿轮相啮合。

字轮组6由多个以数字显示可直读（直读是指用肉眼直接读取数据）高位计量数值的字轮组成，字轮组6中各字轮由小至大并列设置，其包括显示个位、十位、百位、千位和万位（也可以设置更多个数量级）立方数量级的字轮，所有字轮装配在字轮轴上，在每个字轮的圆周侧壁上依次等距间隔设置0-9数字字符，相邻两个字轮之间设有进位耦合轮，低位转一圈，相邻高位旋转一个数字。

在上夹板42上与字轮组6中各字轮相对的位置设有可读取各字轮计量数值的直读窗孔81。

透明表封盖8由非磁性材料制作，其固接在表壳2的顶端，其不仅用于将计数器盒4、置于计数器盒4内的上夹板42、下夹板41、齿轮传动组件5和字轮组6封装在表壳2内，而且用于观察字轮组6中各字轮的计量数值。

如图6所示，在透明表封盖8下与所述字轮组6相对的位置设有若干个以指针转动形式显示低位计量值的指针，如十分之一位、百分之一位、千分之一位和万分之一位立方计数量级，每个指针与所述齿轮传动组件5中的一个单量级的驱动齿轮相固接，以下将与万分之一位计数指针对应的驱动齿轮称为最低位齿轮51。

如图6、图7、图8、图9、图10所示，在所述透明表封盖8之下且位于指针盘63的旁侧设有一个反映所述计量流体是否流动的监控指针52，该监控指针52通过其下端的齿轮组53与所述的最低位齿轮51同步旋转，其间的传动比为1：1。

如图4、图6所示，在所述齿轮传动组件5中驱动最高量级（即十分之一立方米数量级）指针的驱动齿轮与所述字轮组6中个位字轮61之间设有传动介轮7和中驱耦合轮62。

传动介轮7与所述驱动最高量级指针的驱动齿轮相啮合，其间的传动比为1：10（即驱动最高量级指针的驱动齿轮旋转十圈，传动介轮7旋转一圈），同时，传动介轮7再与中驱耦合轮62相啮合，中驱耦合轮62与字轮组6平行且同轴设置，其中，传动介轮7与中驱耦合轮62以轴交方式啮合。

传动介轮7、中驱耦合轮62、个位字轮61之间的传动比为1：1：1。即传动介轮7旋转一周，中驱耦合轮62转一周，个位字轮61也旋转一周。

在传动介轮7的上表面（即轮辐面）中央固定有以异性磁极沿径向相对设置的永久磁片93，对应的，在透明表封盖8外与该永久磁片93相对的位置设有磁感应的角度传感器92（即原理图中的角度检测芯片U5）。该角度传感器92可实时捕捉永久磁片93旋转的角度位置，从而获知介轮位置信息（即传动介轮7的旋转位置，对应的，也是指个位字轮61上正对该水表1直读窗孔81的数字信息）。即当永久磁片93随传动介轮7由初始位置（0数字）旋转0.1圈、0.2圈、半圈…或0.9圈时，角度传感器92可检测出个位字轮61上正对水表1直读窗孔81的数字分别与1、2、5…或9的整数位相对应。

本发明的数字秒通水表1采用的角度传感器92的角度检测精度可小到0.1度。

所述齿轮传动组件5中，由小至大，相邻两个低位计量的驱动齿轮之间的传动比为10：1（即低位指针旋转十圈，相邻的高位指针转动一圈）。

在所述透明表封盖8之上与所述监控指针52对应的位置设有可检测最低位齿轮51低位指针旋转信息的检测部件91，所述低位指针旋转信息是指：最低位齿轮51旋转时，正向旋转（正向是指：水表1正常用水时，叶轮31的旋转方向）信息，反向旋转（反向是指：由于外界干扰因素造成的叶轮31反向旋转，或者个别偷水者故意行为导致的叶轮31反向旋转）信息，因外界干扰所致的叶轮31抖动造成的微转动信息以及正向旋转和反向旋转对应的旋转圈数信息。

所述检测部件91将所述低位指针旋转信息对应的低位指针电信号发送给所述的水表主控芯片U7，再由该水表主控芯片U7甄别（剔除因抖动和反向旋转产生的电子计数）后，通过其中的水表蓝牙芯片U4以广播通信方式将该无线水表1的表号和指针组累积电子计数值对应的指针电信号发送给主节点设备（主节点设备包括秒通网关、下载有专用APP软件且为用户持有的移动终端）。

所述指针组累积电子计数值是指水表主控芯片U7依据检测部件91采集到的低位指针旋转信息经计算得出的计量十分之一、百分之一、千分之一和万分之一位立方数量级指针的电子计数值。

所述检测部件91可以为霍尔传感器组件、光电传感器组件、机械传感器组件等。

本发明优选的检测部件91为霍尔传感器组件，该霍尔传感器组件由三个霍尔传感器（即三个霍尔芯片）组成，对应的，在监控指针52上设有检测用的永久磁块，三个霍尔传感器环绕监控指针52分布在其周边，三个霍尔传感器中相邻两个霍尔传感器之间的夹角优选为120度。

设置三个霍尔传感器可有效鉴别最低位齿轮51是在正向旋转，还是在反向旋转，同时，也能准确及时捕捉因管道抖动原因导致最低位齿轮51产生的微旋转现象。

正向旋转与反向旋转对应的三个霍尔传感器产生的脉冲输出顺序不同。而抖动微转动，所述最低位齿轮51多数情况是在静止位置的前后做往复缓慢转动，由于最低位齿轮51不做完整的圆周运动，因此，三个霍尔传感器中至少一个不会输出脉冲信号。

所述角度传感器92在所述检测部件91检测到所述最低位齿轮51处于正常旋转状态后，定时将采集到的所述介轮位置信息对应的介轮电信号发送给主控电路中的水表主控芯片U7。

水表主控芯片U7通过该主控电路中的水表蓝牙芯片U4将所述的数字秒通水表1的表号和字轮组6累积电子计数值对应的字轮电信号以广播通信方式定时发送给距离该水表1远至200米的所述主节点设备。

所述字轮组累积电子计数值是指水表主控芯片U7依据角度传感器92采集的介轮位置信息及累积的介轮旋转圈数计算得出的计量个位、十位、百位和万位立方数量级字轮的电子计数值。

为了减小因外界干扰因素导致的指针组累积电子计数值与字轮组累积电子计数值出现的累积误差，在角度传感器92向所述水表主控芯片U7发出的介轮位置信息为个位字轮61旋转至正位数值时（正位数值是指个位字轮61上正对该水表1直读窗孔81的数字为0、1、2、…或9的整数位时），水表主控芯片U7对存储其中的所述指针组累积电子计数值进行清零，之后，三个霍尔传感器重新累积计数。

上述清零目的是为了实现指针组累积计数值与字轮组累积电子计数值相互校准。理论上，当指针组累计电子计数值达到1000升时，个位字轮61直读对应的数字应达到1立方；实际上，由于外界因素的干扰，通常，当个位字轮61直读达到1立方时，对应的指针组累计电子计数值常常在1000升左右，为了消除指针组累计电子计数值带来的计数误差，在个位字轮61直读达到所述正位数值时，对指针组累计电子计数值进行清零，以避免在长时间的使用过程中上述误差被无限放大，以此保证整个水表1精准计量，满足客户对精确计量的要求。

2）主控电路。

如图11、图12、图13所示，所述主控电路包括水表主控芯片U7、脉冲采样电路、角位移直读采样电路、蓝牙收发电路和一次性的3.6V电池。

a.脉冲采样电路。

由霍尔传感器组构成，其主要包括三个霍尔芯片，分别为第一霍尔芯片U1、第二霍尔芯片U2和第三霍尔芯片U3。

采用三个霍尔元器件，实现正反转计量和采样水表0.0001立方的指针，可以计量到1升，监测瞬态流量。

第一霍尔芯片U1、第二霍尔芯片U2和第三霍尔芯片U3分别将其采集到的所述最低位齿轮51的旋转圈数和旋转方向对应的电脉冲信号（即所述的低位指针电信号）通过其对应的脉冲输出端发送给水表主控芯片U7的第20脚、第2脚和第19脚。

水表主控芯片U7通过第10、11、12脚分别为第一霍尔芯片U1、第二霍尔芯片U2和第三霍尔芯片U3依次单独供电，降低电路功耗。

当水表1中有水流流动时，三个霍尔芯片依次感应到磁铁磁场强度，足够的磁场强度使得三个霍尔芯片依次向水表主控芯片U7输出低电平，水表主控芯片U7内部中断触发电路触发中断计数脉冲个数，从而实现升位计量。

b.角位移直读采样电路。

主要包括角度检测芯片U5，其检测水表个位字轮61旋转角度值，即采样个位字轮61的读数，保证水表1在长期使用中不会出现累计误差。

角度检测芯片U5将采集到的所述介轮电信号通过其第3脚和第5脚分别传送给水表主控芯片U7的第18脚和第17脚。

水表主控芯片U7在读取介轮位置信息时，通过第16脚为角度检测芯片U5供电，这样可以有效降低整个电路的功耗。

当水表1个位字轮61转动时，角度检测芯片U5输出与磁场角度成正弦和余弦关系的电压信号（ADX+,ADY+，即介轮电信号），此电压信号通过其第3脚和第5脚输送给水表主控芯片U7，经过水表主控芯片U7计算出当前个位字轮61的示值，从而实现个位字轮61直读功能。

c.蓝牙收发电路。

主要包括水表蓝牙芯片U4，其在水表主控芯片U7的控制下与所述主节点设备进行无线数据交换。其通过广播通信方式（即无需配对）与所述主节点设备之间进行连接。

水表主控芯片U7将该水表1的表号和字轮组累积电子计数值通过其第9脚和第8脚以串口通信方式发送给水表蓝牙芯片U4的第15脚和第16脚，水表蓝牙芯片U4再将其以广播通信方式发送给所述的主节点设备；同样，水表蓝牙芯片U4也可将接收到的由主节点设备发出的针对该无线水表1相关参数进行重新设置（相关参数包括角度传感器92的检测周期设置、水阀开启或关闭、电池用电量检测和蓝牙信号强度设置）的数据信号转发给该水表主控芯片U7。

水表主控芯片U7通过其第7脚控制CMOS开关管Q1的导通，使电池为水表蓝牙芯片U4提供稳定的3.0V工作电压。

水表蓝牙芯片U4的主频晶振荡电路由电容C29、电容C30和Y1组成。

水表蓝牙芯片U4的时钟晶振荡电路由电容C19、电容C20和Y3组成。

d.π型天线ANT匹配电路。

所述主控电路还包括由第二电容C2、第三电容C3和第一电阻R1构成的π型天线ANT匹配电路，第二电容、第三电容和π型天线ANT的一端共接后与地端相接，第一电阻跨接在第二电容与第三电容的另一端之间，第一电阻的一端与水表蓝牙芯片U4的第2脚相接，第一电阻的另一端与π型天线ANT的另一端相接。

e.蓝牙收发电路的滤波电路。

所述主控电路还包括由第八电容C8、第九电容C9、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1和第十一电阻R11组成的蓝牙收发电路的滤波电路，其中，第八电容与第一电感并联，并联后的一端接于水表蓝牙芯片U4的第1脚，并联后的另一端一路通过第九电容接地，另一路接于水表蓝牙芯片U4的第31脚，再一路接于第二电感一端与第一二极管正极的共接端，第二电感的另一端接于水表蓝牙芯片U4的第27脚。

f.电压检测电路。

所述主控电路还包括由第八电阻R8、第九电阻R9和第十四电容C14构成的检测所述水表主控芯片U7输入电压的分压电路，其中，第九电阻与第十四电容并联，并联后的一端接地端，并联后的另一端一路接于水表主控芯片U7的第3脚，另一路通过第八电阻接于所述3.6V电池的电压输出端。水表主控芯片U7的型号为HC32L110C4UA、三个霍尔芯片的型号为S-5716ANDL1-M3T1U、角度检测芯片U5的型号为MMA253F、水表蓝牙芯片U4的型号为ATB1103、水表稳压芯片U6的型号为S-1206B30-M3T1U。

g.电池。

优选3.6V一次性锂-亚硫酰氯电池。

该电池通过水表稳压芯片U6向水表主控芯片U7输出稳定的直流工作电压。

4）水表整机超低功耗运行，单节电池可满足水表强制检定规定使用周期达6年。

（二）秒通网关（简称NB网关，以下也称网关）。

1、特点。

通讯接口： ①下行蓝牙，上行NB； ②本地身份识别卡读卡。

功能：①该网关不需要保存数字秒通水表1档案，不需与数字秒通水表1蓝牙配对，就能定时接收本网关蓝牙信号覆盖范围内数字秒通水表1的上传数据，每天（周期可设）与平台同步一次数字秒通水表1数据，同步数据必须包括数字秒通水表1示数、数字秒通水表1电池电量以及该网关与数字秒通水表1的当前通讯信号强度值。②透传抄表管理平台下发的指令，包括开关阀指令。③读用户身份识别卡，强制激活该网关，使其同步数字秒通水表1与抄表管理平台数据。

2、构成。

秒通网关的作用是将接收到的数字秒通水表1发送的数据快速上报给所述的抄表管理平台，同时也可将其接收到的来自抄表管理平台针对某个或某些数字秒通水表1下发的指令转发给对应的数字秒通水表1。

本发明的秒通网关的作用是将接收到的该秒通网关（以下简称网关）管辖区域内的数字秒通水表1发送的数据顺利上报给该水表物联网的抄表管理平台，同时也可将其接收到的抄表管理平台针对该管辖区域内的某个或某些数字秒通水表1下发的指令转发给该数字秒通水表1。

该网关包括机壳和设置在机壳内的控制电路，如图14-图18所示，所述控制电路包括网关主控芯片U8、霍尔开关触发电路、蓝牙收发电路、NB-IOT通信电路、射频收发电路、数据存储电路和电源管理电路等电路模块，该控制电路中各电路模块的工作电压采用直流电池供电，本发明优选的直流电池为3.6V一次性锂-亚硫酰氯电池。

采用直流电池的优点是无须为各电路模块布设专门的外接电线，大大降低该网关对安装环境是否存在电力接入的要求，由此，提高该网关的适用性。

另外，该控制电路中的蓝牙收发电路以广播方式与设置在该网关管辖区域内的若干个数字秒通水表1进行通信连接，其间无须进行配对认证，这样，可使该网关与其管辖的数字秒通水表1的通信区域直径达200米范围。

1）网关主控芯片U8。

网关主控芯片U8负责与蓝牙收发电路、射频收发电路和NB-IOT通信电路（也称远程通信无线传输模块）进行通信并控制这些电路的电源供电。

所述直流电池通过网关主控芯片U8的第17脚为该网关主控芯片U8供电。

电阻R20和电阻R26组成该网关主控芯片U8的分压电路，用于测试电池电压，实时监控电池使用情况，并上报电池欠压告警信息。

2）与蓝牙收发电路的连接。

网关主控芯片U8通过其第29脚和第30脚分别通过限流电阻R31、电阻R32与网关蓝牙芯片U9的第15脚和第16脚以串口通信方式连接。

该网关蓝牙芯片U9将接收到的其管辖区内的数字秒通水表1以广播方式发出的涉及水表表号、水表字轮组表计读数信息和计量十分之一、百分之一、千分之一和万分之一位立方数量级指针的各读数累积脉冲电子计数值信息传给网关主控芯片U8；网关蓝牙芯片U9也可将由网关主控芯片U8针对该网关蓝牙芯片U9管辖区内的数字秒通水表1相关参数进行重新设置的指令数据信息如表计上报周期，采样频率等转发给对应的数字秒通水表1。

网关主控芯片U8的第10脚与MOS开关管Q1的栅极相接并控制所述直流电池为蓝牙收发电路中的网关蓝牙芯片U9供电，该连接结构可防止网关蓝牙芯片U9中的程序跑飞，确保通信可靠性。

网关蓝牙芯片U9的***电路还包括主频荡晶振电路Y1、由电容C22、电容C25和Y3构成的时钟晶振电路、发送天线ANT1、由MOS开关管Q1与电阻R25构成的电源供电控制电路和由电感L2、电感L3、电容C50、电容C51、电容C38、电阻R18和二极管D3组成的蓝牙发射电路的滤波电路。

3）与射频收发电路的连接。

所述网关主控芯片U8的第8脚通过电阻R5、电阻R34、二极管D7、二极管D6、电容C47和电阻R23与该射频收发电路中的无线射频芯片U14的第11脚进行通信连接，其间通过SPI接口进行连接。

所述无线射频芯片U14与用户持有的用水IC卡（非接触IC卡）进行通信连接并触发该网关将无线射频芯片U14读取的用户IC卡信息（与该用户IC卡绑定的数字秒通水表1数据信息）通过所述NB-IOT通信电路上报所述的抄表管理平台，并可进行实时控阀。

网关主控芯片U8的第2脚与MOS开关管Q3的栅极相接并控制所述直流电池为射频收发电路中的无线射频芯片U14供电，该连接构成射频收发电路的电源控制电路，其可有效降低电路的功耗。

射频收发电路由无线射频芯片U14、电感L5、电容C75、电容C76、电容C77、电容C78、电容C79、电容R38和射频天线组成，其中，信号接收电路由电阻R1、电阻R23、电阻R24、电容C7、电容C47、电容C3和二极管D6组成。

4）与NB-IOT通信电路的连接。

NB-IOT通信电路可以为电信/移动/联通其中一种或同时支持。其主要功能是通过电信NB网络与该物联网中的抄表管理平台进行通信连接并将该网关采集到的数字秒通水表1的数据信息、告警信息上报到所述抄表管理平台，同时把抄表管理平台需要下发的任务发送给对应的数字秒通水表1计。

网关主控芯片U8的UART串口第4脚通过电阻29、晶体开关管Q4与NB-IOT通信电路中的NB-IOT通信芯片U10的UART串口第9脚进行通信连接。网关主控芯片U8的UART串口第5脚通过电阻30、二极管D1与该NB-IOT通信芯片U10的UART串口第10脚进行通信连接。

上述晶体开关管Q4和二极管D1构成电平转换电路。

网关主控芯片U8的第11脚与晶体开关管Q5的基极相接并通过MOS开关管Q2的导通或断开及电阻R13控制所述直流电池为所述NB-IOT通信芯片U10供电，其中MOS开关管Q2、电阻R13和晶体开关管Q5组成NB模块电源控制电路，高电平模块供电，拨号发送数据，平时为低电平。

晶体开关管Q6和电容C32组成NB-IOT通信芯片U10的开机信号，其由网关主控芯片U8的第15脚控制，高电平有效。

SIM2为芯片级SIM卡，可以为电信/移动/联通其中一种。

5）霍尔开关触发电路。

其包括唤醒电子开关U13（也称霍尔开关），平时网关主控芯片U8处于睡眠状态，可以通过触发该开关唤醒（采用磁铁靠近霍尔开关，霍尔开关会输出低电平给网关主控芯片U8，网关主控芯片U8再通过检测电平变化进行正常运行）网关主控芯片U8进入维护模式，可以对网关进行参数设置、参数读取、冻结数据读取等操作。

6）数据存储电路。

包括数据存储芯片U12，存储接收到的数字秒通水表1信息并长期存储，以便随时查看。

7）电源管理电路。

外接3.6V一次性锂-亚硫酰氯电池，通过网关稳压芯片U11输出稳定3.0V给网关主控芯片U8，经网关主控芯片U8控制给无线射频芯片U14和网关蓝牙芯片U9提供正常的工作电压。

该电源管理电路受网关主控芯片U8控制为各部分电路提供电源。

（三）该物联网***中各环节信号传送方式。

1、水表、网关和平台之间。

数字秒通水表1的主控电路中的水表蓝牙芯片以广播通信方式定时将该数字秒通水表1的表号、字轮组累积电子计数值和指针组累积电子计数值对应的数据信号发送给所述的秒通网关并由该秒通网关透传给所述后台水务管理中心。

秒通网关的控制电路中的网关蓝牙芯片以广播通信方式向数字秒通水表1透传由所述后台水务管理中心发出的针对该数字秒通水表1相关参数进行重新设置的数据信号。

2、水表、移动终端与平台之间。

数字秒通水表1的主控电路中的水表蓝牙芯片以广播通信方式定时将该数字秒通水表1的表号、字轮组累积电子计数值和指针组累积电子计数值对应的数据信号发送给所述的移动终端并由该移动终端通过互联网传给所述后台水务管理中心。

移动终端将通过互联网接收到的由后台水务管理中心发出的针对该数字秒通水表1相关参数进行重新设置的数据信号通过蓝牙通信传给该数字秒通水表1。

数字秒通水表1与移动终端之间的蓝牙通讯，不需要任何蓝牙通讯配对过程，当安装有专用APP的移动终端在数字秒通水表1蓝牙广播通讯距离之内时，都能实时与秒通水表广播通讯，并立即同步数字秒通水表1与后台水务管理中心之间需要同步更新的信息。

（四）物联网***搭建。

1、数字秒通水表1***三层架构：数字秒通水表1、秒通网关、抄表管理平台(包含手机APP)。

2、各层通讯接口以及功能实现。

1）数字秒通水表1。

通讯接口：上行蓝牙

功能：实现速度水表读数准确、稳定的机电转换，传输数据以及设置参数，开关阀（选配）。

2）秒通网关。

通讯接口：上行NB或者CAT1， 下行蓝牙。

功能：①秒通网关无需保存数字秒通水表1档案，不需与秒通表蓝牙配对，采用蓝牙广播通讯方式 接收本秒通网关蓝牙信号覆盖范围内的所有数字秒通水表1的上传数据，每天（周期可设）与平台同步一次数字秒通水表1数据，同步数据包括但不限于数字秒通水表1示数、数字秒通水表1电池电量以及该网关与数字秒通水表1的当前通讯信号强度值。②透传抄表管理平台下发给秒通水表的指令，包括开关阀指令。③读用户身份识别卡，强制激活该秒通网关，使其同步数字秒通水表1与抄表管理平台的数据。

3）抄表管理平台。

混装互联：通过物联网技术实现多种类型表具统一接入，实现远程抄收和预存充值。

表务管理：表具设备、日常运维与监管、表务工单、运程抄收和预存充值等流程管理、实现表务数据的精细化管理；财务管理：充值记录，抄收日报、月报、年报生成，账务汇总分析，营销差分析，电子***等；移动终端：定制化实现多渠道移动充值，移动管控，移动工单，支持与秒通水表近距离实时通讯实时获取秒通水表运行状态、用水量信息以及实时开关阀等；统一规范接口：实现大融合，不分厂家，统一规范（含IC卡部分）。

3、安装调试。

1）安装：按行业标准，安装水表；2）调试：现场调试，直接采用平台手机APP。首先选择秒通网关预装位置，在预装位置处打开移动终端的APP调试功能，搜索周围的数字秒通水表1，若移动终端APP中可见数字秒通水表1信号强度均高于某一个值，则可以在此处安装秒通网关， 如果预装位置处能搜索到的数字秒通水表1信号强度偏差，则移动到其他的位置继续搜索周围的数字秒通水表1，重复以上操作，直到找到一个合适的点，或者新增加额外的秒通网关以保证数字秒通水表1与秒通网关之间能稳定通讯。

Claims (9)

1.一种用于水表管理的物联网***，包括窄带物联网、应用于该窄带物联网中的若干个智能无线水表和对该***中的水表进行管理的后台水务管理中心，其特征在于：所述智能无线水表为数字秒通水表（1），在所述数字秒通水表（1）与后台水务管理中心之间还设有分别可与该数字秒通水表（1）和后台水务管理中心进行无线通信的主节点设备，所述主节点设备为秒通网关或下载有专用APP软件且为用户持有的移动终端；所述数字秒通水表（1）的主控电路中的水表蓝牙芯片以广播通信方式定时将该数字秒通水表（1）的运行状态、表号、字轮组累积电子计数值和指针组累积电子计数值对应的数据信号发送给所述的秒通网关并由该秒通网关透传给所述后台水务管理中心，所述秒通网关的控制电路中的网关蓝牙芯片以广播通信方式向数字秒通水表（1）透传由所述后台水务管理中心发出的针对该数字秒通水表（1）相关参数进行重新设置的数据信号；或者，所述数字秒通水表（1）的主控电路中的水表蓝牙芯片以广播通信方式定时将该数字秒通水表（1）的运行状态、表号、字轮组累积电子计数值和指针组累积电子计数值对应的数据信号发送给所述的移动终端并由该移动终端通过互联网传给所述后台水务管理中心，所述移动终端将通过互联网接收到的由后台水务管理中心发出的针对该数字秒通水表（1）相关参数进行重新设置的数据信号通过蓝牙通信传给该数字秒通水表（1）；所述字轮组累积电子计数值由设置在数字秒通水表（1）中的角度传感器组件采集，该角度传感器组件由设置在与个位字轮（61）按1：1传动比啮合的传动介轮（7）上的永久磁片（93）和可检测该传动介轮（7）旋转角度的角度传感器（92）构成，所述角度传感器（92）定时将采集到的所述传动介轮（7）转动的介轮位置信息对应的介轮电信号发送给所述的主控电路并由该主控电路依据介轮位置信息和累积的介轮旋转圈数计算得出所述的字轮组累积电子计数值。

2.根据权利要求1所述的用于水表管理的物联网***，其特征在于：在所述数字秒通水表（1）的主控电路中还设有清零模块，该清零模块在所述字轮组累积电子计数值中个位字轮（61）的电子计数值为0、1、2…或9时，将所述指针组累积电子计数值清零。

3.根据权利要求2所述的用于水表管理的物联网***，其特征在于：所述指针组累积电子计数值由设置在数字秒通水表（1）中的霍尔传感器组件采集，所述霍尔传感器组件定时将采集到的驱动计量万分之一立方水量的最低位齿轮（51）的低位指针旋转信息对应的低位指针电信号发送给所述的主控电路中的水表主控芯片并由该水表主控芯片甄别后得出所述的指针组累积电子计数值。

4.根据权利要求3所述的用于水表管理的物联网***，其特征在于：为所述秒通网关的控制电路提供的电源为3.6V直流电池。

5.根据权利要求4所述的用于水表管理的物联网***，其特征在于：在所述秒通网关的控制电路中还设有射频收发电路，该射频收发电路与用户持有的用水IC卡进行通信连接并将所读取的用户IC卡信息上报给所述的后台水务管理中心。

6.根据权利要求5所述的用于水表管理的物联网***，其特征在于：所述数字秒通水表（1）和秒通网关以广播通信方式发出的信号的有效覆盖区直径达200米。

7.根据权利要求6所述的用于水表管理的物联网***，其特征在于：所述数字秒通水表（1）中的主控电路与设置在叶轮盒（3）内的驱动各指针转动的齿轮传动组件（5）密封隔离。

8.根据权利要求3-7中任一项所述的用于水表管理的物联网***，其特征在于：所述永久磁片（93）以异性磁极沿传动介轮（7）径向相对的方式设置在该传动介轮（7）的上表面上，所述角度传感器（92）设置在正对永久磁片（93）且位于数字秒通水表（1）的透明表封盖（8）的外表面上。

9.根据权利要求8所述的用于水表管理的物联网***，其特征在于：在所述透明表封盖（8）之下且位于指针盘（63）的旁侧设有一个反映计量流体是否流动的监控指针（52），该监控指针（52）通过其下端的齿轮组（53）与所述的最低位齿轮（51）同步旋转，其间的传动比为1：1，所述霍尔传感器组件中的三个霍尔传感器位于透明表封盖（8）上环绕该监控指针（52）周边均匀设置；所述低位指针旋转信息为最低位齿轮（51）的旋转方向信息、旋转圈数信息和因外界干扰致使该最低位齿轮（51）在某一设定位置左右轻微转动的抖动信息。

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