专利名称：基于ZigBee无线技术的角形水表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种角形水表，尤其涉及一款基于ZigBee无线技术的角形水表。
背景技术：
目前，自来水表一般均为直通表，即水表基座的两边分别是进水管和出水管，为了 降低管道漩涡对水表计量精度的影响，进水阀门一般安排在出水管一侧。在用水管理方面， 目前有两种方案一种是采用人工抄表管理的机械式水表，这类水表主要由水表基座、多组 传动齿轮和多个指针组成的计量机构，还包括一个用于累计用水量的机械数字字轮组，每 个月的用水量需要专人上门抄表读数，如果用户不在家，则需多次上门查询，导致工作效率 低下，给用水管理带来诸多不便。另一种是采用预交费的IC卡式水表，即先交费后用水的 管理模式，由于IC卡要经常充值和经常更换电池，也给用户带来诸多不便。
发明内容技术问题无论是传统的机械式水表还是IC卡式水表，基本上都是直通表，这类水表安装时 需占用较多的空间，随着城市小户型房屋的增多和小户型小区的增加，如果直接将水表安 装在小户型房屋的墙角，不占用额外的地方，管道随墙角而逶迤延伸，则可节省出有限的空 间，使小户型房屋可利用的空间大大增加。另一方面，目前的水表还存在如下的问题一、公知的机械式水表或是IC卡式自来水表的实时计量部分是按照十进制的方 法由多个机械表盘组成，而每一个机械表盘又是由多组传动齿轮构成，导致水表内部结构 复杂，故障率高，可靠性较低。二、机械式自来水表需要人工抄表，读表的可视性较差。三、对于IC卡式水表采用刷卡消费，IC卡要经常充值和经常更换电池，给给用户 带来不便。四、传统的机械式自来水表是不可控的，除开IC卡式水表外，机械水表没有可控 的进水阀门，因此容易造成一些单位和个人拖欠水费的事情发生，造成小区用水管理严重 滞后。技术方案本实用新型的目的是提出了一种结构上基于ZigBee无线通信技术的角形水表， 其技术方案如下一种基于ZigBee无线技术的角形水表，包括一种角形的水表基座、圆形水表面 盖、水表累计指示装置、阀门控制电机、进水阀控制电机座、进水阀控制电机座盖、进水阀 门、水表指针专用步进电机、水量采样单元、安装管道式叶轮发电机的机座及机座上的盒 盖、ZigBee天线、无线单片机，水表累计指示装置包含水表刻度面板、水表指针专用步进电 机、指示灯，所述的角形水表基座上的进水管和出水管互成90°直角，进水阀门安装在进水 管中，管道式叶轮发电机安装在出水管中，采用四个数字刻度盘加指针的方式指示累计的用水量，水表内置ZigBee天线、无线单片机、锂亚电池组。所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，所述的无线单片机是一款内部集成了 IEEE802. 15. 4标准的2. 4GHz的射频无线电收发装置的单片机，其I/O引脚分别与四个水表 指针专用步进电机直接相连，无线单片机的I/O引脚还分别与水量采样单元、阀门控制电 机和电池管理模块相连。所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，一个圆形的水表刻度面板上刻有四条 刻度圆盘，分别是一个倍率为X0. 0001的小刻度盘，其刻度盘的中心处安装有一个对应 的刻度短指针，小刻度盘上共有10大格，从O到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表 0. 0001m3，短指针转一圈，代表消耗水量0. 0001X100 = 0. Olm3 ；一个倍率为X0. 01的小刻 度盘，其刻度盘的中心处安装有一个对应的刻度短指针，小刻度盘上共有10大格，从0到9， 每一大格又分为10小格，每一小格代表0. Olm3,短指针每转一圈，代表消耗水量0. 01 X 100 =1.0m3;—个倍率为Xl的小刻度盘，其刻度盘的中心处安装有一个对应的刻度短指针， 小刻度盘上共有10大格，从O到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表lm3，短指针每转 一圈，代表消耗水量1X100 = 100. Om3;—个倍率为X 100的大刻度盘，位于水表刻度面板 上的最外圈，其水表刻度面板的中心处安装有对应的刻度长指针，大刻度盘上从0、20、40、 60、80、100、120、140、160、180，共有10大格，每一大格又分为20小格，每一小格代表100m3， 长指针每转一大格，代表消耗水量20 X 100 = 2000. Om3。所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，在水表面板的背面，对应每一个刻度盘 的中心位置处都安装有一个水表指针专用步进电机，四个水表指针专用步进电机的转动轴 同时从水表面板的背后穿过各自的刻度盘中心孔，分别与各自的指针套接。所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其水表面板上有一根浅隐埋安装的 ZigBee 天线。所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其水表面板上有一个指示灯。所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，在进水管的一侧向上拉伸 有一个圆形的进水阀控制电机座，进水阀控制电机座上套接一个圆形的进水阀控制电机座 盖，两者通过螺纹连接，将阀门控制电机密封在进水阀控制电机座中，在出水管的一侧向上 拉伸有一个圆形的管道式叶轮发电机机座，管道式叶轮发电机机座的开口处的外壁有外螺 纹，管道式叶轮发电机盖的开口处的内壁有内螺纹，两者通过螺纹连接。所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其水表基座上靠近进水阀控制电机座 的一侧有一个控制连线管道，进水阀控制电机座的连线由控制连线管道引出，管道式叶轮 发电机机座的一侧有一个电源连线管道，管道式叶轮发电机机座的连线由电源连线管道引 出，两根管道分别与水表基座上延伸至中央顶部的圆柱体相通。所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其圆形的水表面盖内侧壁有内螺纹，水 表基座上延伸至中央顶部的圆柱体的外壁有外螺纹，两者通过螺纹相连，将水表累计指示 装置、水表指针专用步进电机、ZigBee天线、无线单片机、水量采样单元、无线单片机、锂亚 电池组封装在水表基座延伸至中央顶部的空心圆柱体中。技术效果相对于现有自来水表，本实用新型具有如下有益技术效果一、本实用新型采用了一种结构上为角形的水表基座，进水管和出水管互成90°直角，水表可直接将水表安装在房屋的墙角，不占用额外的空间，管道可随墙角而逶迤延 伸，使房屋可利用的空间大大增加。二、本实用新型采用管道式叶轮发电机供电技术，因此无需更换电池。 三、传统的IC卡水表的进水阀门一般安排在出水管一侧，由于采用角形的水表基 座，从而大大降低了管道漩涡对水表计量精度的影响，本实用新型中进水阀门安排在进水
管一侧。四、本实用新型完全改变了传统机械水表或IC卡水表的基本结构和控制方式，采 用了全数字式的控制模式，水表内置四个水表专用微型步进电机，可同时驱动四根转动轴、 从而去掉了繁冗的多级传动齿轮组和用于累加操作的机械数字字轮组，将机械表盘转换为 数字表盘，有效地提高了指示驱动机构的可靠性。五、本实用新型水表采用步进电机驱动指针的方式显示累计用水量，去除了传统 水表中的机械数字字轮组或者LCD屏幕，其水量的指示方式清晰方便，一目了然。六、本实用新型水表采用ZigBee的无线通信技术，刻度表盘上内置浅隐埋天线和 一个基于SoC ZigBee的无线单片机，无线单片机(33)内置了全部ZigBee协议栈，使所述的 水表成为一个已建立ZigBee网络操作的无线节点，由此组成一个小区ZigBee完整网络功 能的水表无线管理节点模块，可实现小区内的自动组网、自动抄表、自动统计和自动控制， 其用电省，效率高。七、本实用新型水表与传统的机械水表的最大不同的是，机械水表没有可控的进 水阀门，因此容易造成一些单位和个人拖欠水费的事情发生，本实用新型水表具有可控的 阀门，因此一旦出现用户多次或长期拖欠水费的事情发生时，小区的物业管理者可通过 ZigBee无线网络控制关闭该水表，从而达到动态管理用水的目的，可以说，本实用新型提供 了一种小区用水管理不用预交水费又能有效制止欠费的新模式。八、本实用新型水表与IC卡式水表的不同之处是，IC卡式水表是采用先交费后用 水的管理模式，本实用新型水表是先用水后交费的管理模式，因此更具人性化特征，用户不 会因为IC卡要经常充值或经常更换电池而困扰，所以更受用户欢迎。
图1基于ZigBee无线技术的角形水表正向外观图；图2基于ZigBee无线技术的角形水表反向外观图；图3基于ZigBee无线技术的角形水表正视图；图4基于ZigBee无线技术的角形水表侧视图；图5基于ZigBee无线技术的角形水表底视图；图6基于ZigBee无线技术的角形水表结构局部拉伸图；图7基于ZigBee无线技术的角形水表电原理框图。标号说明1 水表基座2水表面盖3 进水管4 出水管5管道式叶轮发电机盖6倍率为X 100大刻度表盘7倍率为X 100刻度长指针 8倍率为Xl刻度小表盘[0042]9倍率为X 1刻度短指针10倍率为X0. 01刻度小表盘11倍率为X0. 01刻度短指针 12倍率为X0. 0001刻度小表盘13倍率为X0. 0001刻度短指针 14 ZigBee天线15进水阀控制电机座16指示灯17进水阀控制电机座盖18管道式叶轮发电机机座19电源连线管道20控制连线管道21水表基座底部加强筋22水表面盖挂耳23水表基座挂耳24水表基座外螺纹25管道式叶轮发电机机座外螺纹26进水阀门座外螺纹27锂亚电池组28水量采样单元29水表刻度面板30水表指针专用步进电机31进水阀门32阀门控制电机33无线单片机34信号调理转换电路35电池管理模块36管道式叶轮发电机
具体实施方式
以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式
。本实用新型包括水表基座1、水表面盖2、水表累计指示装置、进水阀门31、水表指 针专用步进电机30、水量采样单元28、进水阀控制电机座15及进水阀控制电机座盖17、 ZigBee天线14、基于SoC ZigBee的无线单片机33。所述水表基座1上还包含进水管3、出 水管4，其进水管3和出水管4分置于水表基座1的两端，且互成90°直角，因此可直接将 水表安装在房屋的墙角，不占用额外的空间。进水阀门31安装在进水管3中，管道式叶轮 发电机36安装在出水管4中，用水时，水流冲动叶轮发电机36发电，同时在电池管理模块 的控制下对锂亚电池组充电。水表基座1的底部有两个椭圆加强筋框，用于加固水表基座。在进水管3的一侧向上拉伸有一个圆形的进水阀控制电机座15，进水阀控制电机 座15上套接一个圆形的进水阀控制电机座盖17，两者通过螺纹连接，将阀门控制电机32密 封在进水阀控制电机座15中，阀门控制电机32的转动轴再与安装在水表基座1上进水管3 中的进水阀门31相接，因此无线单片机33通过阀门控制电机32可直接控制进水阀门31。在出水管4的一侧向上拉伸有一个圆形的管道式叶轮发电机机座18，管道式叶轮 发电机机座18的开口处的外壁有外螺纹25，管道式叶轮发电机盖5的开口处的内壁有内螺 纹，两者通过螺纹连接。水表累计指示装置包含水表刻度面板29、水表指针专用步进电机30、指示灯16， 本实用新型中，用水量的累计全部采用刻度指针的方式指示用水量，一个圆形的水表刻度 面板29上刻有四条刻度圆盘，分别是一个倍率为X0. 0001的小刻度盘12，其刻度盘12的 中心处安装有一个对应的刻度短指针13，小刻度盘12上共有10大格，从0到9，每一大格 又分为10小格，每一小格代表0. 0001m3，短指针13转一圈，代表消耗水量0. 0001X 100 = 0. Olm3 ；一个倍率为X0. 01的小刻度盘10，其刻度盘10的中心处安装有一个对应的刻度 短指针11，小刻度盘10上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表 0. Olm3,短指针11每转一圈，代表消耗水量0. 01 X 100 = 1. Om3 ；一个倍率为X 1的小刻度盘8，其刻度盘8的中心处安装有一个对应的刻度短指针9，小刻度盘8上共有10大格，从O到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表lm3，短指针9每转一圈，代表消耗水量1. OX 100 =100. Om3 ；一个倍率为X 100的大刻度盘6，位于水表刻度面板29上的最外圈，其水表刻 度面板29的中心处安装有对应的刻度长指针7，大刻度盘6上的刻度分别为0、20、40、60、 80、100、120、140、160、180，共有10大格，每一大格又分为20小格，每一小格代表IOOm3,长 指针7每转一大格，代表消耗水量20 X 100 = 2000. Om3。本实用新型中，水表上的四个刻度盘与其对应的指针具有如下的关系在水表面 板29的背面，对应每一个刻度盘12、10、8、6的中心位置处都安装有一个水表指针专用步进 电机30，四个水表指针专用步进电机30的转动轴同时从水表面板29的背后穿过对应刻度 盘12、10、8、6中心的电机轴孔，分别与指针13、11、9、7套接。本实用新型中，水表基座1上靠近进水阀控制电机座15的一侧有一个控制连线管 道20，进水阀控制电机座15的连线由控制连线管道20引出，管道式叶轮发电机机座18的 一侧有一个电源连线管道19，管道式叶轮发电机机座18的连线由电源连线管道19引出，两 根管道分别与水表基座1上延伸至中央顶部的圆柱体相通。圆形的水表面盖2内侧壁有内螺纹，水表基座1上延伸至中央顶部的圆柱体的 外壁有外螺纹，两者通过螺纹相连，并将水表累计指示装置、水表指针专用步进电机30、 ZigBee天线14、无线单片机33、水量采样单元、封装在水表基座1延伸至中央顶部的圆柱体 中。本实用新型中，为了防止打开水表面盖2，可将一根加密铅封同时穿过水表面盖挂耳22 和水表基座挂耳23。此外，本实用新型采用了与传统的无线通信不同的方案，即系统的核心控制部件 不是由单片机与一个独立的通信控制模块组成。本实用新型中，核心控制部件是一款基于 SoC ZigBee的无线单片机33，这是一款内部集成了符合IEEE802. 15. 4标准，且带2. 4GHz 的射频无线电收发装置的单片机，无需另加收发通信电路，由于2. 4GHz波段为全球统一的 无需申请的ISM频段，因此特别有利于无线水表的推广和生产成本的降低，其I/O引脚分别 与四个水表指针专用步进电机30直接相连，无线单片机33的I/O引脚还分别与水量采样 单元28、阀门控制电机32、电池管理模块35相连，无线单片机33的特点是，芯片内置了全 部ZigBee协议栈代码，因此，所述的基于ZigBee无线技术的角形水表实际上是一个已建立 ZigBee协议的完整网络操作的无线节点。安装无线式水表时，考虑ZigBee受周边环境的阻挡或屏蔽，信号的强度会影响通 信质量，为了将周边环境对水表的无线通信的影响降到最低，水表面板29上安排有一根采 用浅隐埋安装方式的ZigBee天线14，水表面板29上还有一个指示灯16，水表通信时，指示 灯16将点亮。本实用新型的电原理框图如图七，无线单片机33通过水表基座1中的水量采样单 元28获取水流量信号，经信号调理转换电路34将水流量信号转换为电脉冲信号，再传递给 无线单片机33，经计算转化为水表指针专用步进电机的各个转动轴偏转所需的角位移量， 从而带动各个指针在对应的刻度盘上指示实时用水状况，这时所指的刻度即用户累计的用 水量。用户不用水时，水表的指针7、9、11、13分别停留在各自的刻度盘上的刻度位置处，无 线单片机33处于休眠状态。本实用新型中，每个独立的无线水表被定义成ZigBee的一个精简功能设备RFD (Reduced Function Device)，小区的物业管理者所持的是全功能设备FFD (Full Function Device)，因此一个小区基于ZigBee网络的无线水表组成的星型拓扑结构是由一 个FFD和若干个RFD组成，其中，FFD充当网络协调器功能，无线水表只与协调器通信，并可 通过FFD接力传送方式，将网络扩展成其他拓扑结构。
本实用新型本实用新型采用了一种结构上为角形的水表基座，进水管和出水管互 成90°直角，水表可直接将水表安装在房屋的墙角，管道可随墙角而逶迤延伸，使房屋可利 用的空间大大增加，因此特别适合小户型。由于采用了管道式叶轮发电机供电技术，因此无 需更换电池。特别是采用了全数字式的水表控制模式，水表内置四个水表专用微型步进电 机，将机械表盘转换为数字表盘，其水量的指示方式清晰方便，一目了然，有效地提高了指 示驱动机构的可靠性和使用寿命。本实用新型水表采用ZigBee的无线通信技术和一个基 于SoC ZigBee的无线单片机，使所述的水表成为建立ZigBee协议的完整网络操作的无线 节点，与上位计算机合作，可实现小区内的自动组网、自动抄表、自动统计和自动控制，其用 电省，效率高。本实用新型水表具有可控的阀门，因此一旦出现用户多次或长期拖欠水费 的事情发生时，小区的物业管理者可通过ZigBee无线网络控制关闭该水表，从而提供了一 种小户型小区用水管理不用预交水费又能有效制止欠费的新模式，是一款新型的高端基于 ZigBee无线技术的角形水表表型。
权利要求一种基于ZigBee无线技术的角形水表，包括一种角形的水表基座(1)、圆形水表面盖(2)、水表累计指示装置、阀门控制电机(32)、进水阀控制电机座(15)、进水阀控制电机座盖(17)、进水阀门(31)、水表指针专用步进电机(30)、水量采样单元(28)、管道式叶轮发电机机座(18)及机座上的盒盖(5)、ZigBee天线(14)、无线单片机(33)，水表累计指示装置包含水表刻度面板(29)、水表指针专用步进电机(30)、指示灯(16)，其特征在于，所述的角形水表基座(1)上的进水管(3)和出水管(4)互成90°直角，进水阀门(31)安装在进水管(3)中，管道式叶轮发电机(36)安装在出水管(4)中，采用四个数字刻度盘加指针的方式指示累计的用水量，水表内置ZigBee天线(14)、无线单片机(33)、锂亚电池组(27)。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，所述的无线 单片机(33)是一款内部集成了 IEEE802. 15. 4标准的2. 4GHz的射频无线电收发装置的单 片机，其I/O引脚分别与四个水表指针专用步进电机(30)直接相连，无线单片机(33)的I/ O引脚还分别与水量采样单元(28)、阀门控制电机(32)和电池管理模块(35)相连。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，一个圆形的 水表刻度面板(29)上刻有四条刻度圆盘，分别是一个倍率为X0. 0001的小刻度盘(12)， 其刻度盘(12)的中心处安装有一个对应的刻度短指针(13)，小刻度盘(12)上共有10大 格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表0. OOOlm3,短指针(13)转一圈，代表消 耗水量0.0001 XlOO = 0.01m3 ；—个倍率为X0.01的小刻度盘(10)，其刻度盘(10)的中 心处安装有一个对应的刻度短指针(11)，小刻度盘(10)上共有10大格，从0到9，每一大 格又分为10小格，每一小格代表0.01m3，短指针(11)每转一圈，代表消耗水量0.01 X 100 =1. Om3 ；一个倍率为X 1的小刻度盘(8)，其刻度盘(8)的中心处安装有一个对应的刻度短 指针(9)，小刻度盘(8)上共有10大格，从0到9，每一大格又分为10小格，每一小格代表 lm3，短指针(9)每转一圈，代表消耗水量IX 100 = 100. Om3 ；一个倍率为X 100的大刻度盘 (6)，位于水表刻度面板(29)上的最外圈，其水表刻度面板(29)的中心处安装有对应的刻 度长指针(7)，大刻度盘(6)上从0、20、40、60、80、100、120、140、160、180，共有10大格，每 一大格又分为20小格，每一小格代表100m3，长指针(7)每转一大格，代表消耗水量20 X 100 =2000. Om3。
4.根据权利要求1或3所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，在水表 面板(29)的背面，对应每一个刻度盘(12) (10) (8) (6)的中心位置处都安装有一个水表指 针专用步进电机(30)，四个水表指针专用步进电机(30)的转动轴同时从水表面板(29)的 背后穿过各自的刻度盘(12) (10) (8) (6)中心孔，分别与各自的指针(13) (11) (9) (7)套接。
5.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，水表面板 (29)上有一根浅隐埋安装的ZigBee天线(14)。
6.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，水表面板 (29)上有一个指示灯(16)。
7.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，在进水管 (3)的一侧向上拉伸有一个圆形的进水阀控制电机座(15)，进水阀控制电机座(15)上套接 一个圆形的进水阀控制电机座盖(17)，两者通过螺纹连接，将阀门控制电机(32)密封在进 水阀控制电机座(15)中，在出水管(4)的一侧向上拉伸有一个圆形的管道式叶轮发电机机 座(18)，管道式叶轮发电机机座(18)的开口处的外壁有外螺纹(25)，管道式叶轮发电机盖(5)的开口处的内壁有内螺纹，两者通过螺纹连接。
8.根据权利要求1或7所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，水表基 座⑴上靠近进水阀控制电机座(15)的一侧有一个控制连线管道(20)，进水阀控制电机座 (15)的连线由控制连线管道(20)引出，管道式叶轮发电机机座(18)的一侧有一个电源连 线管道(19)，管道式叶轮发电机机座(18)的连线由电源连线管道(19)引出，两根管道分别 与水表基座(1)上延伸至中央顶部的圆柱体相通。
9.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的角形水表，其特征在于，圆形的水表 面盖(2)内侧壁有 内螺纹，水表基座(1)上延伸至中央顶部的圆柱体的外壁有外螺纹，两者 通过螺纹相连，将水表累计指示装置、水表指针专用步进电机(30)、ZigBee天线(14)、无线 单片机(33)、水量采样单元、锂亚电池组(27)封装在水表基座(1)延伸至中央顶部的空心 圆柱体中。
专利摘要本实用新型公开了一种基于ZigBee无线技术的角形水表，包括角形水表基座、水表面盖、水表累计指示装置、阀门控制电机、进水阀门、水表指针专用步进电机、水量采样单元、ZigBee天线、无线单片机和管道式叶轮发电机，其进水管侧安装有电池盒，出水管侧安装有进水阀门，水表累计指示装置包含水表刻度面板、水表指针专用步进电机、指示灯，其要点在于，所述的水表基座上的进水管和出水管互成90°直角，全部采用刻度指针的方式指示累计的用水量，水表内置无线单片机和一个可控的进水阀门，是一个基于ZigBee无线通信技术的无线水表节点，特别适用小户型小区的自动抄表和用水管理。
文档编号G01F15/18GK201593998SQ20102011715
公开日2010年9月29日 申请日期2010年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者彭希南, 管于球, 荀庆来, 谢稳 申请人:管于球;彭希南