用于智能水表的微型水流发电装置

用于智能水表的微型水流发电装置

1智能苏水单元计量表智能水表世界水资源变得越来越紧张，中国的水资源形势特别严峻，对中国水产业的发展提出了新的课题。然而多年来我国供水行业发展缓慢,当前供水行业主要依靠人工抄表的传统管理模式,这种方式容易产生抄表工劳动强度增加、漏抄、少抄、欠费等种种弊端,这些问题严重阻碍了行业的发展。同时表现出管理效率极低,社会效益极差。因此,采用现代高新技术,提高自来水行业的管理效益是必由之路。通过变革计量表具,再结合计算机技术、网络技术、信息技术,才能从根本上变革管理模式,提高管理效益。但是在我国实施供水行业技术改造的过程中,由于没有核心知识产权,标准先进性延后,形成了同质化的模仿,这些问题造成了竞争力水平低下的局面。因此,具有专利技术的智能化水表取代老式机械式计量水表已是大势所趋。智能水表是一种利用现代技术,例如智能IC卡技术、现代传感技术等,并将用水数据上传,远程结算的新型水表。与传统水表一般只具有机械指针显示用水量的功能相比,智能水表除了能够更为便捷、准确地记录用户用水量外,还可以利用用户水表的数据,提供智能化服务,如用水量激增警告、水表欠费短信提醒等等。当下市场上也出现了多种类型的智能水表,本文将针对传统水表的一些弊端和现存智能水表的一些问题,提出一种新型自发电式智能水表,以满足当下对智能水表的各种需求。2让人们看到供水行业的现状和存在的问题2.1智能水表更换电池的次数易使土壤污染,存在一些特定的管理制度设计远程控制水表或者智能水表均需要供电才能运行,为了避免外接电源受电网和人为因素干扰,供电均采用一次性电池或220V、380V市电供电。而目前智能水表均存在以下缺陷:一次性电池无论容量有多大,电量总会用尽,而且水表所处的工作环境湿度都比较大,容易造成电池漏电。因此,电池的使用寿命往往达不到设计要求,也就是说,一块智能水表更换电池的次数可能远不止一次。而更换电池的工作只能由管理部门指派专业人员去完成。不难预计,当全民都使用智能水表的时候,更换电池的工作量将会非常巨大,浪费大量的人力和物力,且被更换下来的电池也会对环境造成污染。而若外接电源,则需要改建电网引入电源,工程量巨大,同时水表所处的环境也容易引起安全隐患。2.2水体没有唯一性识别由于目前的水表抄表没有采用数据库来进行数据存储和采集管理,也没有对每个水表进行编码身份识别,这样就比较容易产生水表和水表所对应的用户之间的关系混淆,引起用户之间的资费纠纷。由于没有唯一性身份识别,当水表被恶意偷换后,无法确认水表是否被更换,无法查出由于偷换水表引发的偷水行为。水表的唯一性身份确认无法得到有效的保障。2.4产生大量废旧电池由于原有的数字水表(小表)中电池的使用寿命为2年左右,2年后就需要更换,这不仅带来了极大的工程量,而且会产生很多的废旧电池,这些废旧电池将会给环境的污染带来严重后果。同时,需更换的新电池在生产过程中对环境的污染也会产生严重影响,所以如果采用现有电池供电的水表,将会对当下环境污染形势比较严重的情况下增添新的污染源。2.5碳排放的影响现有的智能水表,必须要有外界给予供电,如大表采用的是市电220V、380V供电,小表采用的是一次性电池,均会产生碳排放的问题。虽说每个表的用电量不大,但积少成多,也是一个可观的数字,将会增加目前供电系统的负担。同时也增加了碳排放,不符合高效环保、低耗环保的新产业要求。3智能水表的智慧低通道应用针对现存水表的各种问题,自发电式智能水表从多方面提供了解决方案。见图1。1)为了解决水表唯一性身份识别的问题,自发电式智能水表采用RFID射频识别即RFID(RadioFrequencyI-Dentification)技术,是一种非接触的自动识别技术,可通过终端发出无线电信号识别特定目标并完成读写数据过程,且无需在系统和特定目标之间建立机械或光学的接触。由于RFID对于每个表,是可以唯一识别的,因此若水表被恶意更换,就可以通过终端设备利用RFID进行识别,从而确认水表身份。2)利用物联网作为抄表数据传输的网络架构,形成智慧的水管理系统。通过使用自组网技术,将所有水表连到一起,对水表进行统一管理,例如对网内所有水表进行远程抄表、指令查询、实时监控等操作。用户也可以在网上随时查询到自己的用水和资费情况,最终实现供水公司和用户之间的透明管理,形成智慧的管理体系,从而达到用户使用方便,降低供水公司运营成本的成效。3)自来水都是通过压力泵增压之后,才能送至用户家中。为了解决供电问题,本智能水表提出利用水管道中的残余压差,通过低压力水力发电机,发出电子自产自销,来解决智能水表的供电问题。同时配合超级电容或锂电池进行电能储存,持续不断地向水表供电,从而解决由于供电而产生的碳排放和环保问题。对于大口径水表,可在满足水表自身电量的同时,亦可向其他设备提供电力。4独立能源智能表的设计4.1自充电智能水表结构一个自发电式智能水表,应包括微处理器、励磁信号、电流检测、压变转换电路、电容、可充电电池、发电机,其特征在于:表体内设有电能储存模块,该计量控制模块及电能储存模块连接于水流发电机,水流发电机经过水流的运转提供给电能储存模块进行电能的存储。本文介绍的自发电式智能水表具有以上基本结构外,又添加了信号控制单元、信息传输单元等,并取得了良好效果。本文所介绍的自充电智能水表结构包括:设置在水流经过的管道内的水流发电机(其壳体的入水口呈喇叭状,该壳体内设有叶轮)、齿轮增速单元、永磁直流发电机;与水流发电机连接的储能单元;用于基于控制信号来产生磁场的励磁产生单元;用于基于励磁产生模块产生的磁场来产生相应感应电动势的感应电动势接收单元;与励磁产生单元、感应电动势接收单元及储能单元,连接且用于输出控制信号及将感应电动势接收模块输入的数据进行处理的处理单元;以及与处理单元连接的存储单元。其结构见图2,水流发电机11、储能单元12、励磁产生单元13、感应电动势接收单元14、处理单元15及存储单元16。该智能水表所使用电能,来自于供水网络中水流压力所发电能,从而实现电能的自给自足。其优点在于工作时能对自身充电,避免使用外部电源,使用寿命长;电能储存模块可反复使用,亦可对外部进行电能输出,对环境无污染。4.2齿轮增速单元及永磁直流发电机水流发电机基于供水管网中的水流压力来发电,其设置在水流经过的管道内,见图3,至少包括:壳体111、设置在壳体111内的叶轮112、齿轮增速单元113、永磁直流发电机114。其中,所述壳体111的入水口呈喇叭状,由此可以将水流进行增压,使得在水流速度很低的情况下,叶轮112也可以获得动力来驱动永磁直流发电机114;所述叶轮112在水流驱动下能绕轴旋转,该轴固定在轴承115上,轴承115的主要作用是支撑叶轮稳定运转;所述齿轮增速单元113用于将叶轮112的转速提高至可以适合永磁直流发电机114的转速,使得永磁直流发电机114发电。本领域技术人员基于以上所述,应该理解齿轮增速单元及永磁直流发电机的结构,故在此不再予以详述。壳体111内还设置有密封单元116,以将所述壳体111内设置所述叶轮112的空间与设置齿轮增速单元113的空间隔离。该密封单元116可以将齿轮增速单元113与自来水隔离,避免自来水与其他污染物交融。其中,该密封单元116可包括密封塞等。4.3储供电池及电容c储能单元与所述水流发电机连接,用于储存所述水流发电机所产生的电能。所述储能单元的电路见图4,该储能单元包括连接所述水流发电机的整流电路及充电电池。该储能单元包括电流保护二极管D1、电容C1、DC-DC芯片IC1、电容C2、及充电电池。该储能单元的工作原理是:输入端连接水流发电机,水流发电机输出电压经DC-DC芯片IC1转换为5V输出,并同时给充电电池充电,充电电池内部有过压保护功能,当所充电能充足则自动断充。该储能单元输出有两种工作方式,第一种方式:当水流发电机正常工作时,水流发电机输出电压经DC-DC芯片IC1后直接输出。第二种工作方式:若水流过小,水流发电机不能满足DC-DC芯片IC1的工作时,则该储能单元输出端由充电电池进行电能供应输出,以处理单元等的正常使用。本例中的DC-DC芯片IC1采用7805芯片。4.4励磁系统的控制单元供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁产生单元向发电机转子提供励磁电流,励磁产生单元基于处理单元输出的控制信号来产生相应磁场。励磁系统控制单元由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成。励磁产生单元的电路图见图5。4.5产生相应的感应电动势感应电动势接收单元基于所述励磁产生单元产生的磁场来产生相应感应电动势,该感应电动势与水量成比例,由此基于该感应电动势可确定用户的用水量等信息。感应电动势接收单元的电路图见图6。4.6数据存储/发送自发电式智能水表的处理单元与励磁产生单元、感应电动势接收单元及储能单元连接,用于输出控制所述励磁产生单元的控制信号及将所述感应电动势接收单元输入的数据进行处理,以便存储或发送等。考虑到低功耗、低成本的要求,处理单元采用MC9S12XS128微处理器,是16位单片机,由16位中央处理单元(CPU12X)、128KB程序Flash(P-lash)、8KBRAM、8KB数据Flash(D-lash)组成片内存储器。主要用于对流量信号进行计数;统计、发送用户所用水量;根据用水量对水表阀门进行控制;LCD屏幕显示控制;接受数据中心指令并执行。4.7sd卡存储电路设计自发电式智能水表的存储单元与处理单元连接,用于存储所计量的数据,其可包括任何一种能存储数据的模块,例如SD卡等。图7为SD卡电路示意图。该SD卡包含具有9个引脚的芯片及电阻R3、R4、R5、R6,电阻R3、R4、R5、R6与芯片的连接方式见图7。4.8元输出口口接口自发电式智能电表还包括蓝牙单元。该蓝牙单元与处理单元连接,其基于蓝牙来与具有蓝牙单元的中继器等通信。其中,蓝牙单元的输入输出接口与所述处理单元的输入输出串口进行数据交换。图8为蓝牙单元接口示意图,该蓝牙单元采用5V电源电压,其还包含数据发送端TXD0、数据接收端RXD0以及接地端;其中,数据发送端TXD0、数据接收端RXD0连接MC9S12XS128微处理器的串口。此外还包括GPRS单元,GPRS单元与处理单元连接,用于通过GSM网络来收发数据等。4.9自充电式智能水表在图2中,由供水管网中自来水流动时产生的动力来驱动叶轮112,叶轮将旋转动力传递给齿轮增速单元113,将转速提高至可以适合永磁直流发电机114的转速,使得永磁直流发电机发电。由于水流速度不稳定,所以永磁直流发电机的发电电压也不稳定,通过整流单元121进行整流,使得电力可以持续稳定的输出给充电电池122,使充电电池被充电,并提供给微处理器MC9S12XS128及励磁产生单元13等。随后微处理器MC9S12XS128控制励磁产生模块产生磁场,通过法拉第电磁感应定律,使得感应电动势接收单元得到感应电动势的信号并进行信号放大滤波处理以后,送给微处理器MC9S12XS128进行数据处理。然后存入存储单元,定时再通过蓝牙单元或GPRS单元将数据发送给中继器;中继器接收发送来的数据,通过GSM网络上传给计算机设备进行远程管理。综上所述,自充电式智能水表可以在水流通过时对自身的充电电池或电容进行充电,再由充电电池或电容来供电,相较于采用一次性电池的智能水表,本发明的自充电式智能水表的使用寿命长,且不会对环境造成破坏。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。5无线计量表3g自发电式智能水表具有良好效果,其主要性能指标可以从以下几个方面进行衡量:1)表的计量精度:此表最大显示读数可达到999m3,最小显示读数为0.0001m3,其显示精度可达到0.0001m3。2)有源RFID电子标签,由水力发电机供电,可读写,32k字节存储容量。3)在没有网络信号的地方,读写器也能直接读取标签,查看物流和安全信息。4)以无线电波为信息载体,具有极强的保密性和抗干扰性(3G模块)。5)数据采用DES加密算法,每只表具有唯一号,方便实现一表对应。6)LCD液晶常显,显示水量数据、阀门状态、电池状态等。7)预报警功能:当用户智能表中有故障如水力发电不稳定、稳压电池欠压、通讯异常时,用蜂鸣器给予用户报警提示,以便用户尽快处理,确保用户正常用水。8)关阀功能:当用户没有及时交纳水费时,无线计量表可以通过采集器关掉阀门,