无线智能水井与能源供给系统的制作方法

本发明涉及一种智能水井，具体涉及一种无线智能水井与能源供给系统。

背景技术：

传统的水井一般井口敞开，用绳索拉水桶取水。这种模式存在人员与动物的坠落、水体生物污染、投毒等安全隐患，且在使用时费时费力。

智能水井与能源供给系统可以将井口与外界隔离，有效防止人员与动物的坠落，同时防止他人对井水的投毒。然而，智能水井的井口设备的电源通过架设电线连接，设在地面上既不方便，也不安全；设在地下不便于检修，且安全性也无法保障。

因此，需要提供一种智能水井与能源供给系统，能无线智能取水，还可方便地为智能水井的井口设备提供无线充电。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无线智能水井及能源，一方面对井口进行封闭并且不用拖拉电线至井口设备，有效提高了水井的安全级别；另一方面用户可以通过手持指令器控制井口设备的出水量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种无线智能水井与能源供给系统，其包含：井口设备、及为井口设备提供充电能源的能源小车；

所述的井口设备包含：井口电池组件、无线充电模块、水井取水模块、第一无线通讯模块、第一声源模块、及井口控制器；

所述的井口电池组件包含由若干电池构成的井口电池组、井口电源降压模块、井口电池管理模块；

所述的无线充电模块经能源小车获取电力，对井口电池组无线充电；

所述的第一无线通讯模块用于接收能源小车发出的定位需求指令与充电需求指令；

所述的井口控制器能输出充电控制信号至无线充电模块，输出水泵控制信号至水井取水模块，输出定位控制信号至第一声源模块；该井口控制器与第一无线通讯模块信号连接；

所述的能源小车包含：小车电池组件、小车控制器、定位单元、驱动单元、及加速度传感器；

所述的小车电池组件包含：第一直流降压模块、小车电池组及小车电池管理模块；

所述的小车控制器分别与定位单元、驱动单元、小车电池管理模块、加速度传感器信号连接；

所述的加速度传感器，用于检测能源小车在移动过程中的加速度变化量，并将加速度变化量信号传输至小车控制器；

所述的小车控制器将定位指令传输至定位单元，并通过定位单元获取时戳数据，计算能源小车与声源的相对方位及相对距离，规划能源小车行进路线，并输出驱动信号至驱动单元，控制能源小车的行进。

较佳地，该系统还包含：无线充电站，其包含：

与交流电源连接的变压整流模块；

与变压整流模块第一路电压连接的无线放电模块；

与变压整流模块第二路电压连接的充电站控制器、第二无线通讯模块、第二声源模块；

其中，所述的第二无线通讯模块与充电站控制器信号连接；所述的充电站控制器能输出充电控制信号至无线放电模块，所述的充电站控制器还能输出定位控制信号至第二声源模块。

较佳地，所述的无线放电模块包含发射电路，该发射电路包含：用于建立磁场的初生线圈。

较佳地，该系统还包含：手持指令器，其包含：

电池与稳压模块；及

分别与电池与稳压模块连接的第三无线通讯模块、主控制器、模拟量输入模块；

其中，所述的第三无线通讯模块与主控制器信号连接；所述的模拟量输入模块输出模拟量信号；所述的主控制器接收该模拟量信号，并转化为数字信号，输出至第三无线通讯模块，由第三无线通讯模块发送至井口设备的第一无线通讯模块。

较佳地，所述的电池与稳压模块包含：直流电源、低压差线性稳压器；所述的模拟量输入模块选择电位器。

较佳地，所述的井口电池管理模块与井口控制器信号连接，将井口电池组的电量信息反馈至井口控制器。

较佳地，所述的无线充电模块包含接收电路，该接收电路包含次级线圈，感应能源小车的无线充放电模块的发送端的电磁信号从而产生电流，为井口电池组充电。

较佳地，所述的能源小车还包含：与小车电池组件双向连接的无线充放电模块，通过无线充放电模块能实现充电站对小车电池组无线充电，或者，实现小车电池组为井口电池组无线充电。

较佳地，所述的定位单元包含：

定位控制器，其与所述小车控制器信号连接，根据小车控制器输出的定位指令，发出定位控制信号；

为定位控制器提供电压转换的第二直流降压模块；

用于提供一个固定的声波拾取站的固定定位器；

用于提供实时位置的声波拾取站的定位模块；

旋转模块，其包含用于驱动定位模块旋转的步进电机；及

用于收发无线信号的第四无线通讯模块，其与定位控制器信号连接。

较佳地，所述的驱动单元包含：

第三直流降压模块；

与第三直流降压模块连接的动力控制器，该动力控制器与所述的小车控制器信号连接，接收来自小车控制器的驱动信号，经逻辑运算后发出电机控制信号；及

步进电机驱动模块，其包含用于分别驱动左侧步进电机、右侧步进电机的控制器，接收来自动力控制器的电机控制信号，并相应地驱动左侧步进电机和/或右侧步进电机旋转；

其中，所述的电机控制信号包含：控制左侧步进电机的第一控制信号，及，控制右侧步进电机的第二控制信号。

本发明提供的无线智能水井与能源供给系统可以将井口与外界隔离，有效防止人员与动物的坠落，同时防止他人对井水的投毒。另一方面无线智能水井与能源供给系统的井口设备可以无需外接电源线就正常工作。取水时使用由内部电池组提供电力的电机将水抽出。当电池组电量不足时，无线智能水井与能源供给系统的井口设备会通过无线通讯信号通知待机的能源小车携带电池组来到无线智能水井与能源供给系统的井口设备周围，通过无线充电技术对井口设备的内部电池组充电。能源小车平时会在无线充电站附近待机，同时对能源小车电池组充电。

附图说明

图1为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的井口设备的结构示意图。

图2为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的能源小车的结构示意图。

图3为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的能源小车的定位单元的结构示意图。

图4为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的能源小车的驱动单元的结构示意图。

图5为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的无线充电站的结构示意图。

图6为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的手持指令器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明的无线智能水井与能源供给系统包含：井口设备、能源小车、无线充电站及手持指令器。

无线智能水井与能源供给系统的井口设备安装在水井挖掘口之上，实现水井取水的功能，同时协助能源小车进行定位。如图1所示，该井口设备包含：井口电池组件41、无线充电模块42、水井取水模块43、第一无线通讯模块44、第一声源模块45、井口控制器46。

所述的井口电池组件41包含：由若干电池构成的井口电池组411、井口电源降压模块412、井口电池管理模块413。

所述的井口电源降压模块412使用URB4805设备，用于将输出电压降至井口控制器46、第一无线通讯模块44及第一声源模块45的工作电压，如将DC48V转化成DC5V，为井口设备提供控制电源。

所述的井口电池管理模块413与井口控制器46信号连接，如通过SPI接口连接，将井口电池组41的电量信息反馈至井口控制器46。井口电池管理模块413检测到井口电池组411的电量信息，通过SPI协议反馈至井口控制器46，经井口控制器46逻辑判断需要充电时，发出充电需求指令，经第一无线通讯模块44发送至待机的能源小车，能源小车收到该指令后，发出定位指令，并无线传输至第一无线通讯模块44，经SPI接口输入至井口控制器46，经判断识别后，输出定位控制信号控制第一声源模块45发出声呐信息以供能源小车定位，进而能源小车能准确到达指定位置(位移完成)；井口控制器46通过第一无线通讯模块44获取能源小车位移完成信号后，通过发出充电控制信号控制无线充电模块42开始充电工作；经井口控制器46逻辑判断井口电池组411电量充足时，发出停止充电的充电控制信号至无线充电模块42，控制无线充电模块42的关停。所述的井口电池管理模块413选择G6B-1114P继电器，用于对井口电池组411均衡充放电，同时为水井取水模块43提供工作电能。

所述的无线充电模块42经能源小车获取DC48V电力，通过井口电池管理模块413对电力进行控制，使井口电池组411的各节电池进行均衡充电。所述的无线充电模块42包含接收电路，采用电磁感应模式。所述的接收电路包含次级线圈，感应能源小车的无线充放电模块36(见图2)的发送端的电磁信号从而产生电流，为井口电池组411充电。所述的无线充电模块42包含隔离变压器。

所述的水井取水模块43用于抽取井水，由井口电池管理模块413控制井口电池组411提供电力。水井取水模块43在有电力需求时，井口电池管理模块413对电力进行控制，使井口电池组411的各节电池进行均衡放电。所述的水井取水模块413使用无刷电机驱动水泵，将水从井内抽出。使用设备：2000ZDQ30无刷电机驱动器。

所述的第一无线通讯模块44，用于接收能源小车发出的定位需求指令与充电需求指令，可使用设备：nRF24L01。

所述的第一声源模块45经井口控制器46控制产生定位信号。所述的第一声源模块45选择小型蜂鸣器，收到定位指示后，发出瞬时的声呐信息。

所述的井口控制器46能输出充电控制信号至无线充电模块42，输出水泵控制信号至水井取水模块43，输出定位控制信号至第一声源模块45；该井口控制器46与第一无线通讯模块44信号连接，如通过SPI接口连接。

所述的井口控制器46为井口设备的总控制器，其对无线充电、电池管理、水泵运行、无线信号接收、定位信号产生等功能进行多任务并行总控，可使用设备：STM32F405。

无线充电任务：井口控制器46通过第一无线通讯模块44获取小车位移完成信号后，通过发出充电控制信号控制无线充电模块42开始充电工作。

BMS(电池管理)任务：井口控制器46通过井口电池管理模块413在电池充放电时对井口电池组411内的电池进行均衡控制。当电池组储存电量过低时通过第一无线通讯模块44发出充电需求指令，同时使用第一声源模块45配合能源小车进行井口设备位置定位。

井口出水任务：井口控制器46通过第一无线通讯模块44接收到用户指令器的取水指令后，通过水泵控制信号对水井取水模块43进行控制，实现水井出水的目的。

以上任务并行处理没有运行的先后顺序。

无线智能水井与能源供给系统的能源小车负责能源的搬运，将无线充电站的电能储存在小车电池组内，然后搬运到无线智能水井与能源供给系统的井口，为无线智能水井与能源供给系统的井口电池组充电。

如图2所示，无线智能水井与能源供给系统的能源小车包含：小车电池组件33、小车控制器34、定位单元32、驱动单元31、加速度传感器35、无线充放电模块36。

所述的小车电池组件33包含：小车电池组331、第一直流降压模块332、小车电池管理模块(小车BMS模块)333。通过BMS模块对小车电池组331均衡充放电，同时为能源小车提供工作电能。使用设备：STM8S003。

所述的小车控制器34与第一直流降压模块332连接，该第一直流降压模块332使用URB4805设备，将DC48V转化成DC5V。

所述的加速度传感器35与小车控制器34信号连接，如通过SPI接口连接，用于检测能源小车在移动过程中的加速度变化量，并将加速度变化量信号传输至小车控制器34。小车控制器34通过加速度传感器35检测能源小车在移动过程中的加速度变化量，如果出现加速度的较大波动，则重新进行一次定位过程。使用设备：MPU6050。

所述的无线充放电模块36与小车电池组件33双向连接，通过无线充放电模块36能实现充电站对小车电池组331无线充电，或者，实现小车电池组331为井口电池组411(见图1)无线充电。使用设备：STM8S003、隔离变压器。

所述的小车控制器34分别与驱动单元31、定位单元32信号连接，如通过UART接口连接。所述的小车控制器34将定位指令传输至定位单元32，并通过定位单元32获取时戳数据，根据三角形几何特性与三角函数计算能源小车与声源的相对方位及相对距离，规划能源小车行进路线，并输出驱动信号至驱动单元31，控制能源小车的行进，将小车移动到目的地。使用设备：STM32F405。

所述的小车电池管理模块333与小车控制器34信号连接。当需要对小车电池组331充电时，小车控制器34给出充电信号，小车电池管理模块333收到充电信号后，控制无线充放电模块36自无线充电站获取电力，对小车电池组331进行均衡充电；当小车电池管理模块333检测到小车电池组331充电充足后，给出充电完成信号，小车控制器34给出停止充电信号，小车电池管理模块333收到停止充电信号后，关闭充电通路，停止充电。当需要对井口设备的井口电池组充电时，小车控制器34给出放电信号，小车电池管理模块333收到放电信号后，控制小车电池组331通过无线充放电模块36均衡放电，对井口电池组进行充电。

如图3所示，所述的定位单元32包含：定位控制器321、第二直流降压模块322、固定定位器323、定位模块324、旋转模块325、及第四无线通讯模块326。

所述的定位控制器321与所述小车控制器34信号连接，如通过UART接口连接，根据小车控制器34传输过来的定位指令，发出电机控制信号，并将该电机控制信号传输至旋转模块325，驱动定位模块324旋转。所述的定位控制器321可选用STM8S105设备。

所述的第二直流降压模块322、旋转模块325分别与小车电池组件33连接，由小车电池组件33提供电力(DC48V)。所述的直流降压模块322可选用URB4805设备，将DC48V输入电压转化为5V输出电压，并分别为定位控制器321、定位模块324、第四无线通讯模块326提供电力。

所述的固定定位器323设置在能源小车的车头部，位于能源小车左右对称轴上，可选用SJ6P咪头，用于提供一个固定的声波拾取站，以记录收到声源信号的时间。所述的固定定位器323与定位控制器321信号连接，定位控制器321与定位模块324信号连接。所述的固定定位器323、定位模块324分别将自身获取的时戳数据的模拟量信号(即有关声源信息的电信号)传输至定位控制器321，转化为数字信号后，再通过UART接口传输至小车控制器34。

所述的定位模块324可选用SJ6P咪头，用于提供实时位置(位置可以变化)的声波拾取站，以记录不同位置收到声源信号的时间；所述的旋转模块325选用TB6600设备，包含用于驱动定位模块324旋转的步进电机，通过步进电机旋转，能驱动定位模块324做旋转角度可控的圆周运动。

所述的定位模块324、旋转模块325构成旋转定位器，该旋转定位器的圆心设置在能源小车的车尾部，位于能源小车左右对称轴上。所述的旋转定位器旋转到0°位置与180°位置构成的直线与能源小车左右对称轴垂直。

所述的第四无线通讯模块326选用nRF24L01设备，用于收发无线信号，其与定位控制器信号连接，如通过SPI接口连接。

所述的定位单元32的控制逻辑如图2所示：当定位控制器321通过UART或第四无线通讯模块326获得了定位指令后定位步骤如下：

S1、定位控制器21发出电机控制信号，控制旋转模块325驱动定位模块324旋转，使得旋转定位器旋转到0度角位置(0度角位置与180度角位置构成的直线与小车左右对称轴垂直)。

S2、定位控制器321通过第四无线通讯模块326发送井口设备声源指令或充电站声源指令，让对应设备(井口设备或充电站)产生一个短暂的声源。同时开启内部计时器计时，并记录两个定位器(固定定位器、旋转定位器)接收到声源信号的时间，获得一组时戳数据。

S3、旋转定位器旋转到180度角位置，重复S2步骤。将两组时戳数据通过UART发送出去。根据旋转定位器与固定定位器时戳的先后顺序与三角形的几何特性，上级处理设备通过三角函数可以计算出声源与小车的相对方位与相对距离这两个数据。由于两组时戳数据构成了两个三角形，通过两组数据的求平均，可以进一步的缩小定位误差。

如图4所示，所述的驱动单元31包含：第三直流降压模块311、动力控制器312、步进电机驱动模块313。

所述的第三直流降压模块311、步进电机驱动模块313分别与小车电池组件33连接，由其提供DC48V电力，通过第三直流降压模块311将输出电压转化为动力控制器需要的电压，如5V。所述的第三直流降压模块311用于将输出电压转化为元件需要的电压，如选用URB4805设备将DC48V转化成DC5V。

所述的动力控制器312与第三直流降压模块311连接，其工作电压为DC5V。该动力控制器312还与所述的小车控制器34(见图2)通过UART(通用异步收发传输器，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，简称UART)接口信号连接，接收来自小车控制器的驱动信号，经逻辑运算后发出电机控制信号。所述的动力控制器选用STM8S105设备。

所述的步进电机驱动模块313包含用于分别驱动左侧步进电机、右侧步进电机的控制器，接收来自动力控制器312的电机控制信号，相应地驱动左侧步进电机和/或右侧步进电机旋转；所述的电机控制信号包含：控制左侧步进电机的第一控制信号，及，控制右侧步进电机的第二控制信号。步进电机驱动模块313选用TB6600设备。

无线智能水井与能源供给系统的无线充电站安装在房屋的廊前檐下等地方，将市电220V50Hz交流电转化成电磁波，实现对能源小车内部电池组的无线充电。同时协助能源小车进行定位。

如图5所示，用于无线智能水井与能源供给系统的无线充电站包含：变压整流模块11、无线放电模块12、充电站控制器13、第二无线通讯模块14、第二声源模块15。

所述的变压整流模块11与基站的交流电源连接，由交流电源提供交流220V电力。所述的变压整流模块11包含变压器与二极管，能将交流220V转化成DC48V，输出第一路电压(DC48V)，为无线放电模块12提供电力；所述的变压整流模块11还包含：直流降压模块(图中未示)，能将DC48V转化成DC5V，输出第二路电压(DC5V)，分别为充电站控制器13、第二无线通讯模块14、第二声源模块15提供电力。所述的变压整流模块选择变压器，10A10，URB4805。

本发明的无线充电站采用电磁感应式充电模式。所述的无线放电模块12包含发射电路；该发射电路包含：用于建立磁场的初生线圈。所述的充电站控制器13输出充电控制信号到无线放电模块12，以控制无线放电模块的启停。通过无线放电模块12能实现充电站对可移动电池组(如，能源小车电池组)无接触充电的功能，即无线充电。所述的无线放电模块12选择隔离变压器。

所述的第二无线通讯模块14与充电站控制器13通过SPI接口连接。SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间。所述的第二无线通讯模块14接收能源小车发出的定位需求指令与充电需求指令，根据集成的SPI协议传输至充电站控制器13。所述的充电站控制器13根据接收到的无线指令(能源小车发出的定位需求指令与充电需求指令)进行逻辑判断：当收到定位需求指令时，向第二声源模块输出定位控制信号，第二声源模块15接收到定位控制信号后，发出配合能源小车定位的声呐信息；当收到充电需求指令时，向无线放电模块12输出充电控制信号，控制无线充电模块12的开启，对能源小车进行无线充电。

所述的充电站控制器选择STM8S003单片机设备。

所述的第二无线通讯模块14选择nRF24L01设备。

所述的第二声源模块15选择小型蜂鸣器。

当能源小车有充电需求时，发出定位需求指令，第二无线通讯模块14接收到定位指令后，通过SPI接口将定位指令传输至充电站控制器13，充电站控制器13输出定位控制信息至第二声源模块15，控制第二声源模块15发出瞬时的定位声波，即声呐信息。能源小车根据该声呐信息定位并到达该基站的充电位置，发出充电需求指令，第二无线通讯模块14接收到该充电指令后，通过SPI接口将该充电指令传输至充电站控制器13，充电站控制器13输出充电控制信号至无线放电模块，控制无线放电模块开启，为能源小车充电。

无线智能水井与能源供给系统的手持指令器为用户手持设备，通过旋转旋钮实现对水井出水量的控制。

如图6所示，无线智能水井与能源供给系统的手持指令器包含：电池与稳压模块21、主控制器22、第三无线通讯模块23、模拟量输入模块24。

所述的电池与稳压模块21包含：直流电源、低压差线性稳压器。所述的直流电源提供的电压高于芯片需要的5V或3.3V，可选择纽扣电池，如2030纽扣电池。所述的低压差线性稳压器型号为LM1117。直流电源经低压差线性稳压器输出稳定的直流电压5V或3.3V。所述的电池与稳压模块21为主控制器22、第三无线通讯模块23、模拟量输入模块24提供电源。

所述的模拟量输入模块24选择电位器WXD3-13-2W，产生一个模拟量信号，作为水泵出水量的信号。所述的模拟量输入模块24将模拟量信号输入至主控制器22。

所述的主控制器22将控制水泵出水量的模拟量信号转化成第三无线通讯模块能识别的通讯信号，即水泵转速指令的数字信号。主控制器22选择STM8S003设备。

所述的第三无线通讯模块23发出无线信号，选择nRF24L01设备。

所述的第三无线通讯模块23与主控制器22通过SPI接口连接。所述的主控制器22将水泵转速指令的数字信号输出至第三无线通讯模块23，由第三无线通讯模块23发送至井口设备，以控制出水量。

主控制器22将模拟量输入模块24(电位器)产生的模拟量信号转化成SPI通讯信号，传输至第三无线通讯模块23，第三无线通讯模块23通过发射无线信号将水泵转速指令发给井口设备，进而实现井口出水量的控制。

本发明的无线智能水井与能源供给系统操作过程如下：

1、用户通过手持指令器对井口设备的开关与出水量进行调节，以满足用户用水的需求。

2、当井口设备的内部电量不足时，井口设备会通过无线数据传输协议向能源小车发出充电需求指令。

3、能源小车接收到来自井口设备的充电需求指令后，通过无线数据传输协议向井口设备发出定位配合指令。能源小车根据收到井口发出的定位声波的时戳，通过三角形的几何特性与三角函数测定出井口设备相对能源小车的方向与距离。能源小车根据这些信息向井口设备的方位移动。

4、能源小车到达井口设备附近后，通过无线数据传输协议向井口设备发出充电指令，开始对井口设备的内部电池组进行充电。

5、当充电完成后，能源小车通过无线数据传输协议无线充电站发出定位配合指令。能源小车根据收到充电站发出的定位声波的时戳，通过三角形的几何特性与三角函数测定出充电站相对能源小车的方向与距离。能源小车根据这些信息充电站的方位移动。

6、能源小车到达充电站附近后，通过无线数据传输协议向充电站发出充电指令，开始对能源小车的内部电池组进行充电。充电完成的能源小车平时会在无线充电站附近待机。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。