角形水表 【技术领域】
本发明涉及一种角形水表，尤其涉及一款基于ZigBee无线通信技术的角形水表。
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：
本发明的目的是提出了一种基于ZigBee无线通信技术的角形水表，其技术方案如下：
一种角形水表，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×0.0001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0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0.0001×100＝0.01m3；一个倍率为×0.01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0.01m3，短指针每转一圈，代表消耗水量0.01×100＝1.0m3；一个倍率为×1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1m3，短指针每转一圈，代表消耗水量1×100＝100.0m3；一个倍率为×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20×100＝2000.0m3。
所述的角形水表，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。
所述地角形水表，其水表面板上有一根浅隐埋安装的ZigBee天线。
所述的角形水表，其水表面板上有一个指示灯。
所述的角形水表，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，本发明具有如下有益技术效果：
一、本发明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、本发明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，本发明中进水阀门安排在进水管一侧。
四、本发明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、本发明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、本发明采用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、本发明与传统的机械水表的不同之处是，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，本发明具有可控的阀门，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，本发明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、本发明与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，本发明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。
【附图说明】
图1角形水表正向外观图；
图2角形水表反向外观图；
图3角形水表正视图；
图4角形水表侧视图；
图5角形水表底视图；
图6角形水表结构局部拉伸图；
图7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×100大刻度表盘
7倍率为×100刻度长指针 8倍率为×1刻度小表盘
9倍率为×1刻度短指针 10倍率为×0.01刻度小表盘
11倍率为×0.01刻度短指针 12倍率为×0.0001刻度小表盘
13倍率为×0.0001刻度短指针 14ZigBee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】
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明包括水表基座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，本发明中，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×0.0001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0.0001×100＝0.01m3；一个倍率为×0.01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0.01×100＝1.0m3；一个倍率为×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1m3，短指针9每转一圈，代表消耗水量1.0×100＝100.0m3；一个倍率为×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100m3，长指针7每转一大格，代表消耗水量20×100＝2000.0m3。
本发明中，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。
本发明中，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。本发明中，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，本发明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。本发明中，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。
本发明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。
本发明中，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。
本发明本发明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。本发明采用ZigBee的无线通信技术和一个基于SoCZigBee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。本发明具有可控的阀门，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，是一款新型的高端角形水表表型。