一种基于NB-IoT的物联网智能燃气表的制作方法

一种基于nb-iot的物联网智能燃气表
技术领域
1.本实用新型涉及燃气表技术领域，尤其涉及一种基于nb-iot的物联网智能燃气表。


背景技术：

2.随着近几年，随着物联网技术的快速发展和我国智慧城市建设的推动，5g、nb-iot、gprs、lora、wifi和蓝牙等技术得到了广泛应用。其中，nb-iot作为一种窄带物联网的新兴技术，具有高覆盖、强连接、低速率、低成本、低功耗等优势，并且使用授权频道，由电信运营商负责组网运营，网络信号稳定、抗干扰能力强、数据传输安全可靠，逐渐成为了物联网通信技术的首选。特别是在燃气表和水表行业，终端主要是采用电池供电，更换一次干电池需要能工作12个月以上，如果采用锂电池供电，则要求一颗容量为8.5ah的锂电池能工作10年(与燃气表的使用年限相同)，并且，一般都还要求每天至少连网通信一次。正是如此苛刻的能耗限制。使得nb-iot技术在水、气表行业应用中脱颖而出。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是针对针对物联网技术的发展现状和智能燃气表对低功耗与强连接的需求，提供一种基于nb-iot的物联网智能燃气表，其采集计量燃气的使用量，上传气量数据及表具内状态数据到业务管理平台系统，同时接受台系统下发的查询和校时，阀门控制等指令，并执行相应的操作，完成燃气计量收费及管控的功能需求。
4.本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
5.一种基于nb-iot的物联网智能燃气表，包含mcu模块、nb通信模块、实时时钟模块、蜂鸣器、lcd显示模块、电源及电压检测模块、阀门驱动模块、膜式燃气表、脉冲计量采集模块、红外近程通信模块；
6.所述mcu模块通过串口分别与nb通信模块、实时时钟模块、蜂鸣器、lcd显示模块、电源及电压检测模块、阀门驱动模块、脉冲计量采集模块和红外近程通信模块连接；
7.所述阀门驱动模块还通过膜式燃气表连接脉冲计量采集模块；
8.其中，nb通信模块，用于物联网燃气表与nb-iot网络，再与业务管理平台系统交换数据，完成燃气计费及表具管控；
9.阀门驱动模块，用于控制阀门的开关转动；
10.膜式燃气表，用于燃气气量计量；
11.实时时钟模块，用于实时记录时间；
12.蜂鸣器，用于报警；
13.lcd显示模块，用于实时显示燃气的方量；
14.电源及电压检测模块，用于提供物联网燃气表所需电能和电压采集；
15.脉冲计量采集模块，用于采集燃气表的燃气的使用量；
16.红外近程通信模块，用于当物联网燃气表故障时，不能联网，维修人员可通过红外
近程通信模块读取表具内的信息，分析故障并修复。
17.作为本实用新型一种基于nb-iot的物联网智能燃气表的进一步优选方案，所述mcu模块采用瑞萨r7f0c004芯片作为主控mcu，其内部高速震荡器系统时钟可高达24mhz，片内具有128kb代码flash、2kb数据flash和8kb ram，数据flash可用于存储燃气表的运行数据，ram用于存储燃气表的运行数据。
18.作为本实用新型一种基于nb-iot的物联网智能燃气表的进一步优选方案，所述nb通信模块采用深圳广和通公司的n700-58通信模组。
19.作为本实用新型一种基于nb-iot的物联网智能燃气表的进一步优选方案，所述阀门驱动模块包含valac1端、valvec2端、valvechk端、芯片u10、电容c41、电阻r40、电容c35、电机m、电压vcc端，valac1端连接芯片u10的引脚6，valvec2端连接芯片u10的引脚7，valvechk端分别连接电阻r40的一端、电容c41的一端，电容c41的另一端连接电阻r39的一端并接地，电阻r39的另一端分别连接电阻r40的另一端、芯片u10的引脚5和芯片u10的引脚8，芯片u10的引脚2和芯片u10的引脚3连接，芯片u10的引脚1分别连接电容c35的一端和电机m的正极，电机m的负极分别连接电容c35的另一端和芯片u10的引脚4。
20.作为本实用新型一种基于nb-iot的物联网智能燃气表的进一步优选方案，所述芯片u10的型号为at9110a。
21.作为本实用新型一种基于nb-iot的物联网智能燃气表的进一步优选方案，所述红外近程通信模块包含电阻r30、电阻r31、电阻r32、电阻r33、电容c26、发光二极管d11、三极管q10、三极管q11、三极管q12、ir vctr接口、ir tx接口、ir rx接口、电压vdd端；
22.ir vctr接口连接电阻r30的一端，电阻r30的另一端连接三极管q10的基极，三极管q10的发射极连接电压vdd端，ir tx接口连接电阻r32的一端，电阻r32的另一端连接发光二极管d11的阴极，发光二极管d11的阳极分别连接电阻r32的一端、三极管q11的发射极、三极管q10的集电极和电容c26的一端，电容c26的另一端接地，电阻r32的另一端连接ir rx接口和三极管q12的集电极，三极管q12的发射极连接电阻r33的一端并接地，电阻r33的另一端分别连接三极管q12的基极和三极管q11的集电极。
23.作为本实用新型一种基于nb-iot的物联网智能燃气表的进一步优选方案，所述脉冲计量采集模块包含计量干簧管s1、计量干簧管s2、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电容c5、电容c6、mpulser端、mpulsel端、电压vdd端，
24.mpulser端分别与电阻r9的一端、电阻r6的一端和电容c6的一端，电阻r9的另一端连接电压vdd端，电容c6的另一端接地，mpulsel端分别连接电阻r8的一端、电阻r7的一端、电容c5的一端，电容c5的另一端接地，电阻r8的一端连接电压vdd端，电阻r6的另一端通过计量干簧管s1连接计量干簧管s2的一端并接地，计量干簧管s2的另一端连接电阻r7的另一端。
25.本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
26.1、本实用新型采集计量燃气的使用量，上传气量数据及表具内状态数据到业务管理平台系统，同时接受台系统下发的查询和校时，阀门控制等指令，并执行相应的操作，完成燃气计量收费及管控的功能需求；
27.2、本实用新型mcu模块以高性价比和超低能好完美兼得的单片机瑞萨r7f0c004芯片作为主控mcu，其内部高速震荡器系统时钟可高达24mhz，片内具有128kb代码flash、2kb
数据flash和8kb ram，数据flash可用于存储燃气表的运行数据，ram用于存储燃气表的运行数据；
28.3、本实用新型通过nb通信模组连接上nb-iot网络，再与业务管理平台系统交换数据，完成燃气计费及表具管控等业务。本实用新型nb通信模块采用深圳广和通公司的n700-58通信模组，n700-58是一款高性能、低功耗的窄带物联网无线通信模组，符合3gpp r13和r14标准，支持band5和band8频段，内嵌tcp、udp、coap、mqtt等多种协议栈；
29.4、本实用新型采用at9110a芯片驱动阀门，芯片的工作电压范围为2.5v-18v，连续电流输出能力为800ma，完美满足驱动阀门的需求。在电路中加上一路ad检测，可检测到正常行程阶段与堵转阶段的电压值变化，从而判断出阀门开(关)是否已到位，及时控制阀门停止转动；
30.5、本实用新型采用红外近程通信模块，对于已经安装使用的燃气表，如果发生故障不能连网了，上门维修的人员也需要有一种方法在不拆表的情况下，就能读取表具内的信息，分析出故障原因并修复
附图说明
31.图1是本实用新型基于nb-iot的物联网智能燃气表的结构原理图；
32.图2是本实用新型阀门驱动模块的电路图；
33.图3是本实用新型红外近程通信模块的电路图；
34.图4是本实用新型脉冲计量采集模块的电路图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.一种基于nb-iot的物联网智能燃气表，如图1所示，包含mcu模块、nb通信模块、实时时钟模块、蜂鸣器、lcd显示模块、电源及电压检测模块、阀门驱动模块、膜式燃气表、脉冲计量采集模块、红外近程通信模块；
38.所述mcu模块通过串口分别与nb通信模块、实时时钟模块、蜂鸣器、lcd显示模块、电源及电压检测模块、阀门驱动模块、脉冲计量采集模块和红外近程通信模块连接；
39.所述阀门驱动模块还通过膜式燃气表连接脉冲计量采集模块；
40.其中，nb通信模块，用于物联网燃气表与nb-iot网络，再与业务管理平台系统交换数据，完成燃气计费及表具管控；
41.阀门驱动模块，用于控制阀门的开关转动；
42.膜式燃气表，用于燃气气量计量；
43.实时时钟模块，用于实时记录时间；
44.蜂鸣器，用于报警；
45.lcd显示模块，用于实时显示燃气的方量；
46.电源及电压检测模块，用于提供物联网燃气表所需电能和电压采集；
47.脉冲计量采集模块，用于采集燃气表的燃气的使用量；
48.红外近程通信模块，用于当物联网燃气表故障时，不能联网，维修人员可通过红外近程通信模块读取表具内的信息，分析故障并修复。
49.本系统mcu模块以高性价比和超低能好完美兼得的单片机瑞萨r7f0c004芯片作为主控mcu，其内部高速震荡器系统时钟可高达24mhz，片内具有128kb代码flash、2kb数据flash和8kb ram，数据flash可用于存储燃气表的运行数据，ram用于存储燃气表的运行数据。
50.物联网燃气表通过nb通信模组连接上nb-iot网络，再与业务管理平台系统交换数据，完成燃气计费及表具管控等业务。本实用新型nb通信模块采用深圳广和通公司的n700-58通信模组，n700-58是一款高性能、低功耗的窄带物联网无线通信模组，符合3gpp r13和r14标准，支持band5和band8频段，内嵌tcp、udp、coap、mqtt等多种协议栈。
51.mcu模块使用串口与nb通信模快进行连接通信，由于nb通信模快的端口电压是1.8v，而mcu的端口电压是3.3v，故需要使用三极管做一个电平转换电路才能正常通信。
52.两线直流电机阀是目前智能电表中使用最为广泛的一种阀门，价格便宜且实用可靠。开(关)阀门的使动电流一般在150-300ma之间，正常行程的电流在20ma左右，而开(关)到位后的堵转电流却与使动电流一样大，如果阀门进入堵转阶段后不及时停止转动，持续的大电流消耗对整个系统的供电是一个挑战，很容易造成系统复位。本实用新型采用at9110a芯片驱动阀门，芯片的工作电压范围为2.5v-18v，连续电流输出能力为800ma，完美满足驱动阀门的需求。在电路中加上一路ad检测，可检测到正常行程阶段与堵转阶段的电压值变化，从而判断出阀门开(关)是否已到位，及时控制阀门停止转动。
53.如图2所示，所述阀门驱动模块包含valac1端、valvec2端、valvechk端、芯片u10、电容c41、电阻r40、电容c35、电机m、电压vcc端，valac1端连接芯片u10的引脚6，valvec2端连接芯片u10的引脚7，valvechk端分别连接电阻r40的一端、电容c41的一端，电容c41的另一端连接电阻r39的一端并接地，电阻r39的另一端分别连接电阻r40的另一端、芯片u10的引脚5和芯片u10的引脚8，芯片u10的引脚2和芯片u10的引脚3连接，芯片u10的引脚1分别连接电容c35的一端和电机m的正极，电机m的负极分别连接电容c35的另一端和芯片u10的引脚4。
54.在物联网燃气表的生产和测试阶段，需要有一中简单方便的方法对燃气表的运行参数进行配置，另外，对于已经安装使用的燃气表，如果发生故障不能连网了，上门维修的人员也需要有一种方法在不拆表的情况下，就能读取表具内的信息，分析出故障原因并修复。基于这两方面的需求，成本低廉的红外近程通信技术成为了首选。
55.如图3所示，所述红外近程通信模块包含电阻r30、电阻r31、电阻r32、电阻r33、电容c26、发光二极管d11、三极管q10、三极管q11、三极管q12、ir vctr接口、ir tx接口、ir rx接口、电压vdd端；
56.ir vctr接口连接电阻r30的一端，电阻r30的另一端连接三极管q10的基极，三极管q10的发射极连接电压vdd端，ir tx接口连接电阻r32的一端，电阻r32的另一端连接发光二极管d11的阴极，发光二极管d11的阳极分别连接电阻r32的一端、三极管q11的发射极、三极管q10的集电极和电容c26的一端，电容c26的另一端接地，电阻r32的另一端连接ir rx接
口和三极管q12的集电极，三极管q12的发射极连接电阻r33的一端并接地，电阻r33的另一端分别连接三极管q12的基极和三极管q11的集电极。
57.ir tx接口和ir rx接口连接mcu的串口引脚，当需要进行红外通信时，连接ir vctr接口的引脚置低电平，给红外通信电路供电并工作。
58.如图4所示，所述脉冲计量采集模块包含计量干簧管s1、计量干簧管s2、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电容c5、电容c6、mpulser端、mpulsel端、电压vdd端，
59.mpulser端分别与电阻r9的一端、电阻r6的一端和电容c6的一端，电阻r9的另一端连接电压vdd端，电容c6的另一端接地，mpulsel端分别连接电阻r8的一端、电阻r7的一端、电容c5的一端，电容c5的另一端接地，电阻r8的一端连接电压vdd端，电阻r6的另一端通过计量干簧管s1连接计量干簧管s2的一端并接地，计量干簧管s2的另一端连接电阻r7的另一端。
60.把两个可配置为中断模式的i/o引脚作为计量数据采集端口，端口电平外部上拉到vdd,计量干簧管s1he计量干簧管s2安装在膜式燃气表计数器末位数轮(装有一个磁钢)的上下两端，当使用燃气时，末位数轮转过一圈，磁钢把s1和s2先后各吸合一次，拉低采集端口的电平，从而产生中断，mcu收到两路中断，表明燃气又消费了0.1立方米。
61.本实用新型采集计量燃气的使用量，上传气量数据及表具内状态数据到业务管理平台系统，同时接受台系统下发的查询和校时，阀门控制等指令，并执行相应的操作，完成燃气计量收费及管控的功能需求。
62.以上只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本实用新型权利要求保护范围的限制。