基于EPON系统的智能水量监测系统的制作方法

基于epon系统的智能水量监测系统
技术领域
1.本发明涉及电子物联网技术领域，尤其涉及一种基于epon系统的智能水量监测系统。


背景技术：

2.随着科学技术的发展和城市化进程的加快，智慧城市成为现代城市发展的新方向。其中，智能水务是实现智慧城市的重要组成部分。基于电子技术的信息采集与信息传输技术是当前物联网终端层的主要技术手段。当前，我国水表市场正处在传统机械水表、智能水表共存的局面，水表和抄表行业也逐步由传统的机械水表和手动抄表演变为物联网远端信息无线传送以及信息化自动抄表，这大大提升了自来水公司的工作效率；但实际运行中，也会存在着不足，比如由于受能源供应等因素限制，特殊环境下电子式终端通常供能问题引发一系列的不便，存在潜在的安全风险，会影响监测系统运行，进而破坏供水系统的安全有效运转。现有水量监测物联网中监测与控制远端节点侧供能方式主要包括：1）电力总线输能2）传统蓄电池储能等本地能量等两类。电力总线输能因存在建设困难等不足，在长距离环境下难以应用；传统的蓄电池供电方法大多寿命不足三年，可供使用的能量有限，需要对其进行替换，但是随着现代城市规模的扩大，自来水使用场景也越来越多，涉及的自来水用户数量不断增长，数量庞大，需要消耗大量的人力物力。因此，水务物联网中监测与控制远端节点侧的有效供能是一个重要的技术难题。
3.图1为现有技术中的光纤结构示意图，近年来，光导纤维作为近代光学的一个重要分支，从阶跃折射率分布光纤到复杂折射率分布光纤，从单纯传光到传感各种物理量，继而发展为传输能量。利用光纤传能技术可以实现光通信网络远端节点的光纤化供给，实现能量与信息的共同传输，可以有效解决户外复杂环境中通信网络的快速布设需求，具有重要的应用价值。由于水务行业自动化和智能水表的发展，对水量进行实时监测变的越发重要，供水系统中智能电子设备和监测的电子式水表的应用日益广泛。为了准确监测用户的用水量，大量的、多种类型的机械与智能水表将密集分布于居民楼或其他有需求的区域。在2001年，德国弗朗霍夫太阳能研究所利用810纳米波长的光源照射到gaas光伏电池上测得电池的转换效率为50.2%。在2008年，该机构发表了一篇文章指出gaas光伏电池在790纳米至850纳米波段之间的转换效率高，能够输出1w的电功率，但其信号传输距离却有限在100米～1000米之间。
4.而智能水务系统一般为5千米以上远距离供能、以及5千米以上远距离通信，其若采用810纳米中心波长的光源供能方式，输出能量虽然高，但随着传输距离越长，传输损耗就会越大，因此现有的810纳米中心波长的光源供能方案并不适用于传输距离超过千米量级的智能水务系统供能需求。因此，在智能水务系统中，为了实现水务系统的远程抄表，即满足5千米以上远距离的可靠有线通信以及同时提供持续可靠的长期供能需求是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于epon系统的智能水量监测系统，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。
6.根据本发明的一个方面，本发明公开了一种基于epon系统的智能水量监测系统，所述智能水量监测系统包括：局端机房侧设备，其包括第一通信模块、激光光源模块、epon系统olt模块以及第一波分复用器，所述第一通信模块、激光光源模块、epon系统olt模块均与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第一波分复用器用于将所述第一通信模块输出的通信光信号、所述激光光源模块输出的能量光信号以及所述epon系统olt模块发送的信号光合束；epon系统光路，与所述第一波分复用器的输出端连接；以及用户侧设备，其包括终端节点，所述终端节点包括：第二波分复用器、光电二极管、储能模块、第二通信模块、中央处理器、光电直读水表以及epon系统onu模块，所述第二波分复用器的输入端与所述epon系统光路连接，所述第二波分复用器的输出端与所述光电二极管、所述第二通信模块、所述epon系统onu模块均连接，所述储能模块和所述光电直读水表均与所述光电二极管并联连接，所述中央处理器与所述光电直读水表、储能模块和第二通信模块均连接，所述中央处理器用于获取所述储能模块的电压及用于获取所述光电直读水表监测到的水量数据，并将所述水量数据发送至所述第二通信模块。
7.在本发明的一些实施例中，所述epon系统光路中的通信光信号与所述能量光信号共纤传输。
8.在本发明的一些实施例中，所述能量光信号的中心波长大于1400纳米，且所述通信光信号的中心波长与所述能量光信号的中心波长不相同。
9.在本发明的一些实施例中，所述通信光信号的中心波长大于所述能量光光信号的中心波长，且所述能量光信号的中心波长范围为1400纳米至1700纳米。
10.在本发明的一些实施例中，所述能量光信号的中心波长为1450纳米，所述通信光信号的中心波长为1550纳米。
11.在本发明的一些实施例中，所述智能水量监测系统还包括第一光环形器和第二光环形器；所述第一波分复用器和所述第一通信模块、所述激光光源模块之间通过所述第一光环形器连接；所述第二波分复用器和所述光电二极管、所述第二通信模块之间通过所述第二光环形器连接。
12.在本发明的一些实施例中，所述能量光信号的中心波长与所述通信光信号的中心波长相同。
13.在本发明的一些实施例中，所述能量光信号的中心波长与所述通信光信号的中心波长均为1450纳米。
14.在本发明的一些实施例中，所述储能模块为超级电容；在所述超级电容处于被充电状态时，所述光电直读水表为低功耗模式；在所述超级电容处于放电状态时，所述光电直读水表为运行模式。
15.在本发明的一些实施例中，所述光电二极管的材料为ingaas材料；和/或
所述epon光路系统的中心波长范围为1310纳米或1490纳米；和/或所述终端节点的数量为多个。
16.本发明实施例所公开的基于epon系统的智能水量监测系统，通过epon系统光纤、光电二极管、储能模块及光电直读水表四者的结合，实现了智能水量监测系统在5千米以上远距离的可靠通信；另外，在不影响epon系统正常运行的条件下，局端机房侧设备输送来的能量通过储能模块储能实现光电直读水表的间歇式供电，进一步满足了现有智能水量监测系统中远距离抄表所需要的持续可靠的长期供能需求。
17.除上述之外，epon系统光路中的通信光信号与所述能量光信号共纤传输，从而在用户数量日益增加下，降低了光纤线路布设所需的成本。
18.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
19.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：图1为现有技术中的光纤结构示意图。
21.图2为本发明一实施例的基于epon系统的智能水量监测系统的结构示意图。
22.图3为本发明另一实施例的基于epon系统的智能水量监测系统的结构示意图。
23.附图标号：局端机房侧设备100epon系统光路200用户侧设备300第一通信模块110激光光源模块120epon系统olt模块130第一光环形器121第一波分复用器140终端节点310光电二极管311超级电容312光电直读水表313中央处理器314第二通信模块315第二波分复用器321第二光环形器331epon系统onu模块316。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
25.在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
26.应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
27.光纤传能技术是指通过光伏效应把光能直接转换成电能的光电转换过程，其目的
是尽可能地将远端传输的激光能量转换为电能输出给电子式水表终端使用；在具体实践中，对于不同类型的水表，其功耗存在明显差异，根据应用的需要，光电直读式水表可以通过调整采样频率及休眠模式减少功耗。此时处理数据的功耗包括由晶体管开关造成的功耗以及由于电流泄漏造成的能量损失；因此，不同类型的电子式水表采集和处理不同大小和类型的数据，所以不同节点对能量的损耗速率是不一样的，即对能量的需求量也是不同的，即同一能量供不同电子式水表的使用时间也是不相同的。
28.在智能水量监测系统中，其供能及通信传输的距离一般超过千米，甚至接近五千米，而若此时采用810纳米中心波长的光源供能方式，随着传输距离的增长，传输损耗就会越大，因而为了满足水量监测系统中5千米以上远距离的可靠有线通信以及同时提供持续可靠的长期供能需求，本发明提供了一种基于epon系统的智能水量监测系统。
29.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
30.图2为本发明一实施例的基于epon系统的智能水量监测系统的结构示意图，如图2所示，该基于epon系统的智能水量监测系统至少包括局端机房侧设备100和用户侧设备300，局端机房侧设备100和用户侧设备300之间通过epon系统光路200连接，即局端机房侧设备100和用户侧设备300之间通过epon系统光路200实现信号的传输。
31.局端机房侧设备100包括第一通信模块110、激光光源模块120、epon系统olt模块130以及第一波分复用器140，第一通信模块110、激光光源模块120、epon系统olt模块130均与第一波分复用器140的输入端连接，第一波分复用器140用于将第一通信模块110输出的通信光信号、激光光源模块120输出的能量光信号以及epon系统olt模块发送的信号光合束。第一波分复用器140的输出端与epon系统光路200连接，而又由于epon系统光路200还与用户侧设备300连接，即局端机房侧设备100的第一波分复用器140将第一通信模块110输出的通信光信号及激光光源模块120输出的能量光信号合束后进一步的输送至用户侧设备300。由于第一波分复用器140的输入端除了与第一通信模块110、激光光源模块120连接之外，还与epon系统olt模块130连接，因而第一波分复用器140具体的用于将第一通信模块110输出的通信光信号、激光光源模块120输出的能量光信号及epon系统olt模块130输出的光信号进行合束后进一步输送至用户侧设备300。
32.用户侧设备300具体的包括终端节点310，而终端节点310包括：第二波分复用器321、光电二极管311、储能模块、第二通信模块315、中央处理器314、光电直读水表313以及epon系统onu模块316，第二波分复用器321的输入端与epon系统光路200连接，第二波分复用器321的输出端与光电二极管311、第二通信模块315、epon系统onu模块316均连接。第二波分复用器321的输入端与epon系统光路200连接，其用于将经epon系统光路200传输来的局端机房侧设备100端的通信光信号、能量光信号以及epon系统olt模块130输出的信号光进行分束，从而将能量光信号输送至光电二极管311，光电二极管311进一步将接收到的能量光信号转换成电能量；第二波分复用器321还将通信光信号输送至第二通信模块315，以及第二波分复用器321还将epon系统olt模块130输出的信号光输送至epon系统onu模块316。其中，中央处理器314具体包括中央处理芯片，并且光电直读水表313及第二通信模块315均电性连接在中央处理芯片上，而光电直读水表313具体的可选用毫瓦量级功耗的电子式水表。而用户侧设备300的第二波分复用器321进一步将接收到的epon系统传输的激光能
量信号和信息通信信号进行区分，以分别传输至光电二极管311、第二通信模块315以及epon系统onu模块316中。储能模块和光电直读水表313均与光电二极管311并联连接，中央处理器314与光电直读水表313、储能模块和第二通信模块315均连接，中央处理器314用于获取储能模块的电压及用于获取光电直读水表313监测到的水量数据，并将水量数据发送至所述第二通信模块315。储能模块与光电二极管311并联连接，可使光电二极管311转换成的电能量可被存储至储能模块。
33.另外，用户侧设备300的终端节点310的数量为多个，此时各终端节点310均包括第二波分复用器321、光电二极管311、储能模块、第二通信模块315、中央处理器314、光电直读水表313以及 epon系统onu模块316。在该实施例中，通过第二波分复用器321将接收到的局端机房侧设备100的通信光信号、能量光信号以及epon系统olt模块130输出的信号光平均分配至多个终端节点310中，此时多个第二波分复用器321与epon系统光路200连接，即经epon系统光路200传输的局端机房侧设备100发送的能量光信号、通信光信号以及epon系统olt模块130输出的信号光被均匀分配至多个第二波分复用器321，而各终端节点310的第二波分复用器321进一步将能量光信号、通信光信号以及epon系统olt模块130输出的信号光分别输送至相应终端节点的光电二极管311、第二通信模块315以及epon系统onu模块316。
34.示例性的，储能模块为超级电容312；且在超级电容312处于被充电状态时，光电直读水表313处于低功耗模式；在超级电容312处于放电状态时，光电直读水表313处于运行模式。由此可知，超级电容312间歇式供电光电直读水表313，即在该实施例中，光电二极管311将能量光信号转换成电能量输出给超级电容312，以使超级电容312进行充电；当超级电容312处在充电状态时，与超级电容312并联的光电直读水表313处于低功耗模式，此时即由光电二极管311输出的电能量被存储至超级电容312，并且当光电直读水表313处于低功耗模式下时，每隔预定时间唤醒中央处理器314监测超级电容312输出引脚两端的电压大小；当监测到超级电容312两端电压达到放电阈值后，则超级电容312可进行放电，则此时与超级电容312并联的光电直读水表313从光电二极管311以及超级电容312中获取能量；当中央处理器314监测到超级电容312两端电压小于放电阈值后，则光电直读水表313停止运行，此时光电直读水表313处于低功耗模式，则进一步的超级电容312接收光电二极管311输出的电能量进行充电。
35.进一步的，epon系统光路200中的通信光信号与所述能量光信号共纤传输。在该实施例中，将局端机房侧设备100和用户侧设备300之间的epon系统光路200的光纤设置成激光能量信号和信息通信信号共纤，则使得远距离传输时可以节省光纤的数量，从而节省了布线，降低了成本。特别是对于需进行5千米远距离供能及5千米远距离通信的水量监测系统，大大降低了布线成本。
36.在本发明一实施例中，第一通信模块110输出的通信光信号的中心波长与激光光源模块120输出的能量光信号的中心波长不一致。由于通信光光信号的中心波长与能量光信号的中心波长不一致，则在该实施例中直接通过波分复用器即可将通信光光信号和能量光信号进行合束和分束。示例性的，能量光信号的中心波长大于1400纳米，优选的，能量光信号的中心波长范围为1400纳米至1700纳米，例如1400～1410纳米、1410～1420纳米
…
1680～1690纳米、1690～1700纳米等。应当理解的是，能量光信号的中心波长以及通信光信号的中心波长不作具体限制，在该实施例中，仅确保能量光信号的中心波长和通信光信号
的中心波长不一致即可，另外，能量光信号的中心波长以及通信光信号的中心波长可具体根据光电二极管311以及超级电容312的标称量进行匹配设置。
37.进一步的，通信光信号的中心波长大于所述能量光光信号的中心波长。为了使该水量监测系统适应于5千米以上远距离传输能量，则能量光光信号的中心波长选为1450纳米，而通信光信号的中心波长选为1550纳米。此时，第一波分复用器140直接接收激光光源模块120输出的中心波长为1450纳米的能量光信号，及接收第一通信模块110输出的中心波长为1550纳米的通信光信号，第一波分复用器140将1450纳米的能量光信号、1550纳米的通信光信号以及epon系统olt模块130输出的信号光合束后输出至epon系统光路200中，并进一步的经epon系统光路200输出至用户侧设备300。
38.在上述实施例中，epon系统信息通信信号的信息光中心波长优选为1310与1490纳米；该设定可满足一根光纤中既传输能量又传输信息，从而当epon系统中的光纤长度在5千米及以上时，可满足用户侧设备300的用电需求，即此时用户侧设备300的多个终端节点310可同时处于工作状态。
39.进一步的，光电二极管311的材料为ingaas材料，ingaas材料可对中心波长在1400纳米以上的能量光信号激光全透过，从而提高了光电转换效率。既能量光信号的中心波长选为1450纳米，通信光信号的中心波长选为1550纳米，而epon系统光路的信号光中心波长选为1310与1490纳米；则该基于epon系统、光电二极管311以及超级电容312组合的水量监测系统，在当epon系统中光纤的长度大于或等于5千米时，所输出的电功率可满足用户侧设备300的用电需求。
40.图3为本发明另一实施例的基于epon系统的智能水量监测系统的结构示意图，如图3所示，该水量监测系统也包括局端机房侧设备100和用户侧设备300，局端机房侧设备100和用户侧设备300之间通过epon系统光路200连接，且用户侧设备300包括多个终端节点310。局端机房侧设备100包括第一通信模块110、激光光源模块120、epon系统olt模块130、第一光环形器121以及第一波分复用器140，epon系统olt模块130的输出端直接与第一波分复用器140的其中一个输入端连接，而第一波分复用器140和所述第一通信模块110、激光光源模块120之间通过所述第一光环形器121连接，即第一光环形器121的其中两个端口分别与第一通信模块110和激光光源模块120的输出端连接，而第一光环形器121的另一个端口与第一波分复用器140的输入端连接；此时第一波分复用器140的输入端与第一光环形器121的输出端及epon系统olt模块130的输出端连接，且第一波分复用器140的输出端进一步与epon系统光路200连接。
41.终端节点310包括：第二波分复用器321、第二光环形器331、光电二极管311、储能模块、第二通信模块315、中央处理器314、光电直读水表313以及epon系统onu模块316。此时第二波分复用器321和所述光电二极管311、所述第二通信模块315之间通过所述第二光环形器331连接，即第二波分复用器321的输入端与epon系统光路200连接，第二波分复用器321的输出端与第二光环形器331的其中一个端口连接，而第二光环形器331的另外两个端口分别与光电二极管311及第二通信模块315连接。类似的，第二波分复用器321的输入端与epon系统光路200连接，其用于将经epon系统光路200传输来的局端机房侧设备100端的通信光信号、能量光信号以及epon系统olt模块130的光信号进行分束，从而将能量光信号及通信光信号经过第二光环形器331分别输送至光电二极管311及第二通信模块315，并将
epon系统olt模块130的光信号输送至epon系统onu模块316。
42.在该实施例中，在局端机房侧设备100和用户侧设备300中分别设置第一光环形器121和第二光环形器331是为了在激光光源模块120输出的能量光信号及第一通信模块110输出的通信光信号的中心波长一致时，把能量光信号及通信光信号分隔开。
43.当用户侧设备300端设有多个终端节点310时，通过epon系统将局端机房侧设备100同步输送的光能和信号按需分配至不同的终端节点310，因为各终端节点310均具有光电直读水表313，因而局端机房侧设备100同步输送的光能和信号满足多个光电直读水表313的供电需求。在该实施例中，通过波分复用器与光环形器将接收的光能以及信号进行拆分，拆分出来的光能输送至光电二极管311中，经过光电转换技术将光电二极管311输送的光能转换成电能存储至超级电容312；而拆分出来的信号被输送至通信模块，从而实现局端机房侧设备100与用户侧设备300的通信。
44.示例性的，在采用第一光环形器121和第二光环形器331的水量监测系统中，能量光信号的中心波长与所述通信光信号的中心波长相同。如此时能量光信号的中心波长与所述通信光信号的中心波长均可为1450纳米。类似的，能量光信号和通信光信号的中心波长均设为1450纳米仅是一种较优示例，在具体使用时，能量光信号和通信光信号的中心波长可根据水量监测系统中的光电二极管311、超级电容312的标称量进行设置。
45.对于现有技术中普遍使采用的810纳米中心波长的光源供能方式，虽然输出能量高，但当传输距离超过千米时，其不仅无法实现能量及信息共纤传输，随着传输距离的增大，其传输损耗越大。为此本发明实施例中的基于epon系统的智能水量监测系统采用中心波长为1310与1490纳米的epon系统，并且epon系统光路200中的通信光信号与所述能量光信号共纤传输；该结构的智能水量监测系统不仅满足了5千米远距离供能及5千米远距离通信的传输需求，其还提高了系统中的光电转换效率，从而满足用户侧设备300的多个光电直读水表313的供电需求。
46.本技术的基于epon系统的智能水量监测系统，用户侧设备300中终端节点310的中央处理器314与光电直读水表313、超级电容312和第二通信模块315均连接，中央处理器314可获取超级电容312引脚两端的电压，并判断超级电容312内储存的电压是否满足电压阈值；另外，中央处理器314还获取光电直读水表发送的数据信号，并进一步的将接收到的光电直读水表发送的数据信号转换成水量信号发送至第二通信模块315。
47.在上述实施例中，光电二极管311、超级电容312及光电直读水表313三者并联，光电二极管311将中心波长为1450纳米的能量光转换为电能量输出至储能电容及光电直读水表313；当超级电容312处于充电状态时，与超级电容312并联的所述光电直读水表313处于低功耗模式，且在低功耗模式下，光电直读水表313整体电阻达兆欧量级，仅需微安电流维持其低功耗模式，故此时光电二极管311输出的大部分电能被存储至超级电容312中。与此同时，中央处理器314会被每间隔一定时间被唤醒，从而监测超级电容312引脚两端电压大小；当超级电容312引脚两端电压达到放电阈值后，则超级电容312开始放电，此时光电直读水表313处于运行模式，运行模式下的光电直读水表313的整体电阻不再维持兆欧量级，会在百欧、千欧量级波动，微安量级电流已经满足不了光电直读水表313的正常稳定工作，此时光电直读水表313会从超级电容312及光电二极管311中同时获取能量，并且超级电容312提供的能量占主要部分；当光电直读水表313运行结束后，则光电直读水表313重新进入低
功耗模式，并且此时超级电容312重新进入充电状态。
48.通过上述实施例可以发现，本发明的基于epon系统的智能水量监测系统，其epon系统光路会将局端机房侧设备同步输送的光能和信号按需分配至不同的终端节点，而终端节点通过波分复用器或波分复用器及光环形器将接收的光能以及信号进行拆分，拆分出来的光能存储至光电二极管中，光电二极管经过光电转换技术将接收到的光能转换成电能存储至超级电容。本发明采用epon系统实现了能量与信息的同时传输，在不影响epon系统运行的条件下实现了对水量信息的远程读取；并且本技术通过光纤、光电二极管、超级电容及光电直读水表的结合，实现了基于局端机房侧设备输送的能量转换的电量对超级电容的间歇式充电，解决了现有水务系统远程抄表模式下的无法实现的5千米以上远距离有线通信以及同时提供持续可靠的长期供能问题。同时解决了由于用户数量（终端节点数量）日益增加而数量庞大导致的光纤线路布设的成本较高的问题。
49.还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
50.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
51.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。