一种NB-IoT物联网水表的制作方法

本实用新型属于水计量技术领域，具体涉及一种nb-iot物联网水表。

背景技术：

物联网水表是指应用了物联网技术的远传水表，是最新一代远传水表。它显著的特点之一是它的综合成本很低，特别是安装成本，就跟普通机械水表一样，无需打孔、布线等现场操作，只要把表装在管道上就可以运行了，所有的调试完全在计算机终端完成，全国推广起来简便易行。物联网水表删繁就简，从表具端到云端无任何中间环节，即使出现问题也仅是个表问题，维护和运行成本可降至最低。

nb-iot(基于蜂窝的窄带物联网)是iot领域的一个新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。nb-iot支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。

作为一项应用于低速率业务中的技术，nb-iot有以下优势：

(1)强链接：在同一基站的情况下，nb-iot可以比现有无线技术提供50-100倍的连接数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延迟时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络结构。

(2)高覆盖：nb-iot室内覆盖能力强，比lte提升20db增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、管道井、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用场景同样适用。

(3)低功耗：低功耗特性是物联网应用的一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置在荒野偏远地区的水表，它们不可能像智能手机一天一充电，长达几年的电池使用寿命是最本质的要求。nb-iot聚焦小数据量，小速率应用，因此nb-iot设备功耗可以做到非常小，从而设备续航时间会大大延长。

(4)低成本：与lora相比，nb-iot无需重新建网，射频和天线基本都是复用的。低速率、低功耗、低宽带同样给nb-iot芯片以及模块带来低成本的优势。

(5)抗干扰能力强：nb-iot物联网采用的付费授权频段，不会受到其他类似设备的干扰，工作性能稳定，抗干扰性能强

传统水表已经无法满足现有的使用需求，无法解决目前供水行业中存在的问题，而使用物联网水表可以保证数据传输的可靠、及时、有效。而随着nb-iot技术的运用，有效解决了信号覆盖和功耗问题。目前在供水行业中，nb-iot水表的应用成为研究的重点。

现有技术存在以下问题：

(1)传统的ic卡表不能远程抄表，实用性低；

(2)传统有线远传表施工难，成本投入高；

(3)信号覆盖不好，功耗高。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种实用性高、成本投入低、信号覆盖好以及功耗低的nb-iot物联网水表，用于解决现有技术存在的不能远程抄表、实用性低、施工难、成本投入高、信号覆盖不好以及功耗高的问题。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种nb-iot物联网水表，包括发讯水表、阀门、阀门驱动器、控制器以及计数器，控制器与阀门驱动器通信连接，阀门驱动器与阀门通信连接，发讯水表与阀门一侧固定连接，且其远离阀门的另一侧与水管固定连接，阀门的另一侧与水管固定连接，计数器位于发讯水表的内部，且其通过信号线缆与控制器通信连接；

控制器包括mcu、采样模块、阀门控制模块、电源模块、时钟模块、通讯电源控制模块、通讯模块、sim卡以及射频天线，mcu分别与采样模块、阀门控制模块、时钟模块、通讯电源控制模块以及通讯模块通信连接，电源模块分别与mcu、阀门控制模块、时钟模块以及通讯电源控制模块电性连接，通讯模块分别与通讯电源控制模块、sim卡以及射频天线通信连接，阀门控制模块与阀门驱动器通信连接，采样模块与计数器通信连接。

进一步地，计数器的内部设置有机械传动装置、机械字轮以及发讯传感器，机械传动装置与机械字轮活动连接，且其与机械字轮的接触部分设置有电磁铁，发讯传感器的两端分别与电磁铁和控制器通信连接。

进一步地，通讯模块为nb-iot通讯模块。

进一步地，nb-iot通讯模块的主控芯片u2的型号为m5310，且其主控芯片u2的vbat管脚和gnd管脚之间连接电容组，电容组包括并联的电容c1、电容c2、电容c3以及电容c4，主控芯片u2的reset管脚连接并联的电阻r1和电容c5，电阻r1远离reset管脚的另一端连接vbat管脚，电容c5远离reset管脚的另一端连接地信号gnd，主控芯片u2的rxd管脚、txd管脚以及ring管脚分别通过电阻r6、电阻r7以及电阻r8与对应的mcu的主控芯片u1的txd管脚、rxd管脚以及ri管脚连接，主控芯片u2的rf-ant管脚连接π型匹配电路，π型匹配电路包括电容c11、电容c12以及电阻r5，电阻r5一端分别与rf-ant管脚和电容c11的一端连接，且其另一端分别与射频天线和电容c12的一端连接，电容c11的另一端和电容c12的另一端均连接地信号gnd；

主控芯片u2的usim_data管脚通过上拉电阻r9与usim_vdd管脚连接，主控芯片u2的usim_vdd管脚通过电容c9与usim_gnd管脚连接，主控芯片u2的usim_data管脚、usim_clk管脚以及usim_rst管脚分别通过电阻r2、电阻r3以及电阻r4与对应的sim卡的io管脚、clk管脚以及rst管脚连接，主控芯片u2的usim_vdd管脚与sim卡的vcc管脚连接，主控芯片u2的usim_gnd管脚与sim卡的gnd管脚连接，sim卡的io管脚、clk管脚以及rst管脚分别通过电容c6、电容c7以及电容c8与地信号gnd连接，sim卡的io管脚、clk管脚、vcc管脚以及rst管脚均与tvs二极管阵列tvs1连接。

进一步地，通讯电源控制模块包括电源控制开关电路和通讯电源稳压电路，电源控制开关电路包括电阻r10、电阻r11、电阻r12、三极管t16以及cmos开关管q7，通讯电源稳压电路的稳压芯片u9型号为td1410；

cmos开关管q7的源极连接电源输入vcin，其栅极通过电阻r12连接三极管t16的集电极，且其漏极连接稳压芯片u9的vin管脚，电源输入vcin通过电阻r10连接三极管t16的集电极，三极管t16的基极通过电阻r12连接mcu的主控芯片u1的io管脚，且其发射极连接地信号gnd；

稳压芯片u9的vin管脚和gnd管脚并联电容c13和电容c14，稳压芯片u9的vin管脚和en管脚并联电阻r13，稳压芯片u9的fb管脚和gnd管脚并联电阻r14，稳压芯片u9的gnd管脚连接地信号gnd，稳压芯片u9的sw管脚和gnd管脚并联二极管d3，稳压芯片u9的fb管脚通过串联的电阻r15和电容c15与地信号gnd连接，且电阻r15和电容c15的连接端与稳压芯片u9的sw管脚连接，电容c15的两端并联电容c16、电容c17以及电容c18，电阻r15和电容c15的连接端连接电源输出端vbat_nb，电源输出端vbat_nb连接主控芯片u2的vbat管脚。

进一步地，时钟模块的主控芯片u3的型号为ds1302，主控芯片u3的vcc2管脚连接电源模块的输出端vcc，主控芯片u3的x1管脚通过电容c19连接地信号gnd，主控芯片u3的x2管脚通过电容c2连接地信号gnd，且主控芯片u3的x1管脚和x2管脚并联晶振y1，主控芯片u3的vcc1管脚连接时钟备用电池bt1的正极，时钟备用电池bt1的负极连接地信号gnd，主控芯片u3的sclk管脚、i/o管脚以及rst管脚对应连接mcu的主控芯片u1的pe0管脚、pe1管脚以及pe2管脚，且主控芯片u3的sclk管脚、i/o管脚以及rst管脚分别通过电阻r18、电阻r16以及电阻r17连接电源模块的输出端vcc。

进一步地，阀门控制模块的驱动芯片u4的型号为mx214b，驱动芯片u4的gnd1管脚和gnd2管脚均连接地信号gnd，驱动芯片u4的vcc1管脚和vcc2管脚均连接电源模块的输出端vcc，电源模块的输出端vcc通过电容c19连接地信号gnd，驱动芯片u4的ia管脚和ib管脚分别对应连接mcu的主控芯片u1的pg7管脚和pg6管脚，驱动芯片u4的oa管脚和ob管脚均连接阀门驱动器接口j_fm，mcu的主控芯片的pg4管脚和pg5管脚均连接阀门驱动器接口j_fm，阀门驱动器接口j_fm连接地信号gnd。

进一步地，发讯水表和阀门的两侧均为法兰盘连接接口，相邻法兰盘连接接口的接触部分设置有橡胶垫片，并通过螺栓与相邻法兰盘连接接口固定连接。

本方案的有益效果为：

(1)采用nb-iot物联网水表，利用运营商网络进行实时数据通讯，解决了传统ic卡水表不能远程抄表的问题，提高了设备的实用性；

(2)无需工程布线，利用运营商专用网络，解决了传统有线远传表施工难的问题，节约了成本投入；

(3)运营商nb-iot专用网络覆盖广，信号好，无需自建网络，解决了信号覆盖问题；nb-iot技术本身具备低功耗的特点，提供了电源控制模块来实现电源管理，能很好的降低功耗，解决了功耗高的问题。

附图说明

图1为nb-iot物联网水表结构示意图；

图2为nb-iot物联网水表控制器结构框图；

图3为nb-iot通讯模块电路原理图；

图4为通讯电源控制模块电路原理图；

图5为时钟模块电路原理图；

图6为阀门控制模块电路原理图。

其中，1、发讯水表；2、阀门；3、阀门驱动器；4、控制器；5、计数器；6、信号线缆；7、法兰盘连接接口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的单元或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，一种nb-iot物联网水表，包括发讯水表1、阀门2、阀门驱动器3、控制器4以及计数器5，控制器4与阀门驱动器3通信连接，阀门驱动器3与阀门2通信连接，发讯水表1与阀门2一侧固定连接，且其远离阀门2的另一侧与水管固定连接，阀门2的另一侧与水管固定连接，计数器5位于发讯水表1的内部，且其通过信号线缆6与控制器4通信连接；发讯水表1和阀门2的两侧均为法兰盘连接接口7，相邻法兰盘连接接口7的接触部分设置有橡胶垫片，进行密封保护，以防止漏水，并通过螺栓与相邻法兰盘连接接口7固定连接；

如图2所示，控制器4包括mcu、采样模块、阀门控制模块、电源模块、时钟模块、通讯电源控制模块、通讯模块、sim卡以及射频天线，mcu分别与采样模块、阀门控制模块、时钟模块、通讯电源控制模块以及通讯模块通信连接，电源模块分别与mcu、阀门控制模块、时钟模块以及通讯电源控制模块电性连接，mcu通过阀门控制模块去控制阀门驱动器3，从而控制nb-iot物联网水表的阀门2执行开关的动作，通讯模块分别与通讯电源控制模块、sim卡以及射频天线通信连接，阀门控制模块与阀门驱动器3通信连接，射频天线、通讯电源控制模块以及sim卡用于实现nb-iot物联网水表的物联网通讯，实现与系统的数据通讯及信息交互，采样模块与计数器5通信连接，mcu通过采样模块去采集发讯水表1的计数器5的用量信息，从而实现机械字轮与nb-iot物联网水表电子读数的转换。

本实施例中，计数器5的内部设置有机械传动装置、机械字轮以及发讯传感器，发讯传感器为磁敏传感器，机械传动装置与机械字轮活动连接，且其与机械字轮的接触部分设置有电磁铁，随着字轮转动，发讯传感器就会在导通与断开之间进行切换，发讯传感器的两端分别与电磁铁和控制器4通信连接，通过采集发讯传感器的脉冲信号进而采集水表的用量信息。

本实施例中，通讯模块为nb-iot通讯模块。

本实施例中，如图3所示，nb-iot通讯模块的主控芯片u2的型号为m5310，m5310是一款工业级的多频段nb-iot无线模块，其工作频段是band3、band5、band8，主要应用于低功耗的数据传输业务，满足3gpprelease14标准，m5310是lcc封装的贴片式m5310模组，30个管脚，尺寸仅有19mm×18.4mm×2.2mm，内嵌lwm2m/mqtt-sn/tcp/udp/coap等数据传输协议及扩展的at命令，其采用了低功耗技术，将电流功耗在psm模式下低至3ua；vbat管脚的电压输入范围为3.1v～4.2v，为保证vbat电压不会跌落到3.1v以下，在靠近模块的vbat输入端，其主控芯片u2的vbat管脚和gnd管脚之间连接电容组，电容组包括并联的低esr(esr＝0.7ω)的100uf的钽电容c1、100nf滤波电容c2、100pf滤波电容c3以及22pf滤波电容c4，通过拉低reset管脚一定时间实现模块复位，实现复位的低电平持续时间大于100ms，主控芯片u2的reset复位管脚连接并联的电阻r1和电容c5，实现模块的上电复位功能，电阻r1远离reset管脚的另一端连接vbat管脚，电容c5远离reset管脚的另一端连接地信号gnd，为了匹配通讯电平，由于mcu采用3.3v电平，与m5310的串口端口的电平可能存在差异，在mcu于m5310的通讯串口之间的连接线上串接了电阻用于电平匹配，主控芯片u2的rxd管脚、txd管脚以及ring管脚分别通过电阻r6、电阻r7以及电阻r8与对应的mcu的主控芯片u1的txd管脚、rxd管脚以及ri管脚连接，实现mcu与m5310之间的串行数据交互，主控芯片u2的rf-ant管脚连接π型匹配电路，更好地调节射频性能，π型匹配电路包括电容c11、电容c12以及电阻r5，应尽量靠近射频天线放置，电阻r5一端分别与rf-ant管脚和电容c11的一端连接，且其另一端分别与射频天线和电容c12的一端连接，电容c11的另一端和电容c12的另一端均连接地信号gnd；

主控芯片u2的usim_data管脚通过10k上拉电阻r9与usim_vdd管脚连接，增强sim卡稳定性，主控芯片u2的usim_vdd管脚通过电容c9与usim_gnd管脚连接，主控芯片u2的usim_data管脚、usim_clk管脚以及usim_rst管脚分别通过均为22ω的电阻r2、电阻r3以及电阻r4与对应的sim卡的io管脚、clk管脚以及rst管脚连接，为m5310和sim卡之间串联连接，抑制emi杂散传输，增强esd保护，主控芯片u2的usim_vdd管脚与sim卡的vcc管脚连接，主控芯片u2的usim_gnd管脚与sim卡的gnd管脚连接，sim卡的io管脚、clk管脚以及rst管脚分别通过均为33pf的电容c6、电容c7以及电容c8与地信号gnd连接，将信号线上的旁路电容c6、旁路电容c7以及旁路电容c8放置在sim卡附近，sim卡外围电路靠近sim卡，改善emi抑制效果，sim卡的io管脚、clk管脚、vcc管脚以及rst管脚均与tvs二极管阵列tvs1连接，tvs二极管阵列tvs1用于提供良好的esd保护，tvs二极管阵列tvs1放置在靠近sim卡连接器处，确保被保护的sim卡接口信号线首先通过tvs二极管阵列tvs1保护装置，然后通向m5310。

本实施例中，如图4所示，通讯电源控制模块包括电源控制开关电路和通讯电源稳压电路，电源控制开关电路包括电阻r10、电阻r11、电阻r12、三极管t16以及cmos开关管q7，通讯电源稳压电路的稳压芯片u9型号为td1410；

cmos开关管q7的源极连接电源输入vcin，其栅极通过电阻r12连接三极管t16的集电极，且其漏极连接稳压芯片u9的vin管脚，电源输入vcin通过电阻r10连接三极管t16的集电极，三极管t16的基极通过电阻r12连接mcu的主控芯片u1的io管脚即vdd_nb_ctrl，控制nb-iot电源的开关，当输出低电平时候，电源被关断，当输出高电平时候，电源被开启，且其发射极连接地信号gnd；

稳压芯片u9的vin管脚和gnd管脚并联稳定电容c13和滤波电容c14，稳压芯片u9的vin管脚和en管脚并联电阻r13，稳压芯片u9的fb管脚和gnd管脚并联电阻r14，稳压芯片u9的gnd管脚连接地信号gnd，稳压芯片u9的sw管脚和gnd管脚并联二极管d3，稳压芯片u9的fb管脚通过串联的电阻r15和电容c15与地信号gnd连接，且电阻r15和电容c15的连接端与稳压芯片u9的sw管脚连接，储能电容c15的两端并联电容滤波c16、滤波电容c17以及滤波电容c18，电阻r15和电容c15的连接端连接电源输出端vbat_nb，电源输出端vbat_nb连接主控芯片u2的vbat管脚。

本实施例中，如图5所示，时钟模块的主控芯片u3的型号为ds1302，为nb-iot物联网水表通讯提供时钟信息，主控芯片u3的vcc2管脚连接电源模块的输出端vcc，为主电源，主控芯片u3的x1管脚通过电容c19连接地信号gnd，主控芯片u3的x2管脚通过电容c2连接地信号gnd，且主控芯片u3的x1管脚和x2管脚是振荡源管脚，并联32.768khz晶振y1，主控芯片u3的vcc1管脚连接时钟备用电池bt1的正极，为后备电源，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行，时钟备用电池bt1的负极连接地信号gnd，主控芯片u3的sclk管脚、i/o管脚以及rst管脚对应连接mcu的主控芯片u1的pe0管脚、pe1管脚以及pe2管脚，且主控芯片u3的sclk管脚、i/o管脚以及rst管脚分别通过电阻r18、电阻r16以及电阻r17连接电源模块的输出端vcc；ds1302由vcc1或vcc2两者中的较大者供电，当vcc2大于vcc1+0.2v时，vcc2给ds1302供电，当vcc2小于vcc1时，ds1302由vcc1供电，故本电路中的bt1选用3v的纽扣电池足以起到备用作用。

本实施例中，如图6所示，阀门控制模块的驱动芯片u4的型号为mx214b，驱动芯片u4的gnd1管脚和gnd2管脚均连接地信号gnd，驱动芯片u4的vcc1管脚和vcc2管脚均连接电源模块的输出端vcc，电源模块的输出端vcc通过电容c19连接地信号gnd，驱动芯片u4的ia管脚和ib管脚分别对应连接mcu的主控芯片u1的pg7管脚和pg6管脚，mcu通过pg6管脚和pg7管脚的电平来控制阀门驱动芯片u4的输出管脚的电平，进而控制阀门的开启、关闭以及停止，驱动芯片u4的输出管脚oa管脚和ob管脚均连接阀门驱动器接口j_fm，用于对阀门驱动器的电机进行驱动，mcu的pg4管脚为阀门关到位信号的输入管脚，mcu的pg5管脚为阀门开到位信号的输入管脚，mcu的主控芯片的pg4管脚和pg5管脚均连接阀门驱动器接口j_fm，阀门驱动器接口j_fm连接地信号gnd。

本实用新型提供的一种实用性高、成本投入低、信号覆盖好以及功耗低的nb-iot物联网水表，解决了现有技术存在的不能远程抄表、实用性低、施工难、成本投入高、信号覆盖不好以及功耗高的问题。

以上所述仅为本实用新型的实施例，实施例用于理解实用新型的结构、功能和效果，并不用于限制本实用新型的保护范围。本实用新型可以有各种更改和变化，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。