一种用于流体的计量器具及其计量方法与流程

1.本发明涉及水表或燃气表计量的技术领域，具体而言，涉及一种用于流体的计量器具及其计量方法。


背景技术：

2.随着gprs、4g、lora、nb-lot等无线通信技术的成熟和普及，远程抄表技术逐渐得到开发和应用；远程抄表技术，必需要用到通信模块以进行实时传输数据，其工作时电流可达几十ma到几百ma，存在功耗比较高的问题；在计量器具例如水表、燃气表等由于供电不便和安全限制等原因，只能采用电池供电的场合，电池很快就会被消耗掉。
3.现有的计量器具例如智能水表或智能燃气表等，主要包括电池、电源模块、通信模块、计量模块和mcu芯片，电池通过电源模块转换电压之后，分别给通信模块、计量模块和mcu芯片供电，由于，计量模块例如计量传感器可以将管路内流体例如水或燃气的流量数据传输给主控模块，而主控模块又将采集到的流量数据通过通信模块传输至后台监控，以实现对管路内流体的远程采集和监控，故上述各模块一直处于通电状态，即使他们都进入待机状态，也会产生几十甚至几百μa电流的待机功耗，从而大大缩短了计量器具的使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何有效减少计量器具的待机功耗，相应延长计量器具的使用寿命。
5.为解决上述问题，本发明提供一种用于流体的计量器具，包括电池、主控模块、计量传感器、电源开关电路和外设模块，所述主控模块和所述计量传感器分别与所述电池电连接；所述电池通过所述电源开关电路与所述外设模块电连接，所述主控模块与所述电源开关电路电连接，当所述主控模块处于待机状态时，所述电源开关电路关断所述电池与所述外设模块之间的回路；所述计量传感器设置于管路上，所述计量传感器与所述主控模块通信连接，以将检测到所述管路内流体的流量数据传输至所述主控模块。
6.可选地，用于流体的计量器具还包括时钟模块，所述时钟模块与所述主控模块电连接，所述时钟模块适于定时唤醒以切换所述主控模块至所述待机状态或工作状态。
7.可选地，用于流体的计量器具还包括低功耗的计数器，所述计数器的输入端和输出端分别与所述计量传感器和所述主控模块电连接，以通过低频脉冲的方式获取所述计量传感器的所述流量数据。
8.可选地，所述主控模块采用stm32系列的低功耗mcu芯片。
9.可选地，所述计量传感器为水流量传感器或燃气流量传感器。
10.可选地，所述电源开关电路包括pmos开关电路和nmos开关电路，所述nmos开关电路的栅极和漏极分别与所述主控模块和所述pmos开关电路的栅极电连接，所述pmos开关电路的源极和漏极分别与所述电池和所述外设模块电连接。
11.可选地，所述外设模块包括水阀，所述水阀的电源端与所述pmos开关电路的漏极
电连接，所述主控模块与所述水阀的受控端电连接，以控制所述水阀通断。
12.可选地，所述外设模块还包括马达驱动电路，所述水阀包括阀门和驱动马达，所述主控模块通过所述马达驱动电路与所述驱动马达连接，以使所述马达驱动电路输出pwm信号控制所述驱动马达的转动角度和速度，所述驱动马达与所述阀门驱动连接，以控制阀门的开度。
13.可选地，所述外设模块还包括电源模块和通信模块，所述pmos开关电路的漏极通过所述电源模块与所述通信模块电连接，所述主控模块与所述通信模块电连接，以通过所述通信模块向外发送数据。
14.与现有技术相比，本发明通过主控模块与电池电连接，从而利用电池直接给主控模块供电，相对现有技术中电池经过电源模块之后再给主控模块供电而言，避免电源模块的功耗；通过计量传感器与电池电连接，从而利用电池给计量传感器提供工作电源；由于电池通过电源开关电路与所述外设模块电连接，换言之，电源开关电路串联于电池与外设模块之间处，当主控模块处于工作状态时，通过主控模块与电源开关电路电连接，可以通过主控模块控制电源开关电路导通，以使外设模块通电工作。
15.当主控模块处于待机状态时，电源开关电路可以采用pmos nmos电路的电压驱动型实现自身的关断，不仅使得电源开关电路的关断状态不需要主控模块控制持续输出电流来维持，而且电源开关电路以及外设模块例如电源模块、通信模块等均不消耗电池能量，换言之，在计量器具处于待机状态时，只有主控模块和计量传感器消耗电池的能量，从而降低了计量器具的待机功耗，相应的延长计量器具的使用寿命。通过将计量传感器设置于管路上，以及计量传感器与主控模块通信连接，从而便于计量传感器将管路内流体的流量数据传输至主控模块，从而实现对管路内流体例如水或燃气的实时自动流量采集。
16.本发明还提供一种用于流体的计量器具的计量方法，基于上述所述的用于流体的计量器具，包括如下步骤：电池给计量传感器和所述主控模块供电；当所述主控模块进入低功耗的待机状态时，电源开关电路处于关断状态，外设模块不通电；计量传感器采集管路内流体的流量数据，并将所述流量数据传输至所述主控模块。
17.由于，用于流体的计量器具的计量方法基于上述所述的用于流体的计量器具，故用于流体的计量器具的计量方法至少具有用于流体的计量器具的全部技术效果，在此不再赘述。
附图说明
18.图1为现有技术中计量器具的原理结构框图之一；图2为本发明实施例中计量器具的原理结构框图；图3为本发明实施例中电源开关电路的原理结构示意图；图4为本发明实施例中主控模块的原理结构示意图；图5为本发明实施例中马达驱动电路与水阀的原理结构示意图。
19.附图标记说明：
1-电池；2-主控模块；3-时钟模块；4-计量传感器；5-电源开关电路；51-pmos开关电路；52-nmos开关电路；6-外设模块；61-水阀；62-马达驱动电路；63-电源模块；64-通信模块；7-计数器。
具体实施方式
20.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
21.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序；应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中；在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式；而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。
24.随着gprs、4g、lora、nb-lot等无线通信技术的成熟和普及，远程抄表技术逐渐得到开发和应用；远程抄表技术，必然要用到通信模块64，其工作时电流可达几十ma到几百ma，存在功耗比较高的问题；在水表、燃气表等由于供电不便和安全限制等原因，只能采用电池1供电的场合，电池1很快就会被消耗掉。
25.针对通信模块64功耗较高的问题，现行的主要做法是：定时传输数据（比如48小时上报1次计量数据）；不传输数据时，让通信模块64进入待机模式。这样通过避免闲时的能量消耗，实现设备长期使用的目的；由此可知，水表只有在数据通信和水流计量时才进入工作模式，其余大部分时间为空闲的，即待机状态。因此，水表的待机功耗，就成为水表系统非常关键的功耗指标；可以说，相同电池1规格的情况下，水表的待机功耗直接决定了电池1的使用时长。
26.现阶段，结合图1所示，现有的计量器具例如智能水表或智能燃气表等，主要包括电池1、电源模块63、通信模块64、计量模块和mcu芯片，电池1通过电源模块63转换成不同等级电压之后，分别给通信模块64、计量模块和mcu芯片供电；计量模块例如计量传感器4可以将管路内流体例如水或燃气的流量数据传输给主控模块2，而主控模块2又将采集到的流量信号通过通信模块64传输至后台监控，以实现对管路内流体的远程采集和监控，故上述各模块一直处于通电状态，即使他们都进入待机状态，也会产生几十甚至几百μa电流的待机功耗，从而大大缩短了计量器具的使用寿命，导致计量器具的更换频次更高，加大了更换成本。
27.为解决上述技术问题，结合图2所示，本发明实施例提供一种用于流体的计量器具，包括电池1、主控模块2、计量传感器4、电源开关电路5和外设模块6，所述主控模块2和所述计量传感器4分别与所述电池1电连接；所述电池1通过所述电源开关电路5与所述外设模块6电连接，所述主控模块2与所述电源开关电路5电连接，当所述主控模块2处于待机状态时，所述电源开关电路5关断所述电池1与所述外设模块6之间的回路；所述计量传感器4设置于管路上，所述计量传感器4与所述主控模块2通信连接，以将检测到所述管路内流体的流量数据传输至所述主控模块2。
28.需要说明的是，电池1的电压范围在2.0-3.6v，电压范围比较宽，从而无须现有技术中的电源模块63转换不同等级的电压，从而利用电池1可以直接给主控模块2、计量传感器4和外设模块6进行供电；其中，电源开关电路5的导通或关断可以控制电池1是否向外设模块6进行供电，例如当计量器具的主控模块2处于工作状态时，主控模块2可以控制电源开关电路5导通，以使电池1给外设模块6供电，使外设模块6通电工作；当计量器具的主控模块2处于待机状态时，电源开关电路5关断，以使电池1给外设模块6断电，从而降低计量器具的待机功耗。
29.另外，计量传感器4可以安装于管路上，且计量传感器4的检测端深入管路内，从而可以检测到管路内流体的流量数据，计量传感器4与主控模块2电连接，主控模块2可以对计量传感器4检测的流量数据进行处理，主控模块2与外设模块6例如通信模块64连接，从而可以将流量数据通过通信模块64远程传输出去，以实现对管路内流体的远程采集数据作用；计量传感器4一直处于工作状态，但是功耗很低，大概有2μa左右，在管路内流体例如水流的情况下，通过低频脉冲，将计量结果传输给主控模块2。
30.本发明通过主控模块2与电池1电连接，从而利用电池1直接给主控模块2供电，相对现有技术中电池1经过电源模块63之后再给主控模块2供电而言，避免电源模块63的功耗；通过计量传感器4与电池1电连接，从而利用电池1给计量传感器4提供工作电源；由于电池1通过电源开关电路5与所述外设模块6电连接，换言之，电源开关电路5串联于电池1与外设模块6之间处，当主控模块2处于工作状态时，通过主控模块2与电源开关电路5电连接，可以通过主控模块2控制电源开关电路5导通，以使电池1经电源开关电路5给外设模块6通电，使外设模块6通电工作。
31.当主控模块2处于待机状态时，电源开关电路5可以采用pmos nmos电路的电压驱动型实现自身的关断，不仅使得电源开关电路5的关断状态不需要主控模块2控制持续输出电流来维持，而且电源开关电路5以及外设模块6例如电源模块63、通信模块64等均不消耗电池1能量，换言之，在计量器具处于待机状态时，只有主控模块2和计量传感器4消耗电池1的能量，从而降低了计量器具的待机功耗，相应的延长计量器具的使用寿命；通过将计量传感器4设置于管路上，以及计量传感器4与主控模块2通信连接，从而便于计量传感器4将管路内流体的流量数据传输至主控模块2，从而实现对管路内流体例如水或燃气的实时自动流量采集。
32.在本发明的一个实施例中，结合图2所示，用于流体的计量器具还包括时钟模块3，所述时钟模块3与所述主控模块2电连接，所述时钟模块3适于定时唤醒以切换所述主控模块2至所述待机状态或工作状态。
33.需要说明的是，时钟模块3可以包括低功耗时钟和闹钟，其中，低功耗时钟可集成
于主控模块2上，低功耗时钟与主控模块2电连接，低功耗时钟与闹钟通信连接，可以通过人工编辑软件以控制闹钟，从而可以定时唤醒主控模块2在待机状态和工作状态之间进行切换；通过低功耗时钟集成于主控模块2上，从而不仅减少低功耗时钟额外占据空间，而且还实现对主控模块2状态的自动切换。
34.在本发明的一个实施例中，结合图2所示，用于流体的计量器具还包括低功耗的计数器7，所述计数器7的输入端和输出端分别与所述计量传感器4和所述主控模块2电连接，以通过低频脉冲的方式获取所述计量传感器4的所述流量数据。
35.需要说明的是，在主控模块2处于待机状态时，为了实现对管路流体的流量数据的计量，此时主控模块2不需要唤醒，换言之，主控模块2可以在待机状态下通过低功耗的计数器7对计量传感器4进行计量，从而可以大大减低主控模块2以及包括主控模块2的计量器具的功耗，相应的延长计量器具的使用寿命。
36.在本发明的一个实施例中，所述主控模块2采用stm32系列的低功耗mcu芯片。
37.需要说明的是，通过将主控模块2限定为采用stm32系列的低功耗mcu芯片，例如，stm32系列可采用意法半导体st公司的单片机，由于stm32系列的低功耗mcu芯片具有不超过0.5μa的超低待机功耗，从而可以大大减低使用stm32系列的低功耗mcu芯片的计量器具的功耗。
38.当然，主控模块2并不局限于上述stm32系列的低功耗mcu芯片，还可采用其他型号的低功耗mcu芯片，只要能够起到低功耗作用的mcu芯片均适用于本技术方案，在此不做具体限定。
39.在本发明的一个实施例中，所述计量传感器4为水流量传感器或燃气流量传感器。
40.需要说明的是，若计量传感器4为水流量传感器，此时所述管路为水管，此时可以通过水流量传感器检测水管内的水流量，并将水流量数据传输至主控模块2，计量器具为智能水表；若计量传感器4为燃气流量传感器，此时所述管路为燃气管，此时可以通过燃气流量传感器检测燃气管内的燃气流量，并将燃气流量数据传输至主控模块2，计量器具为智能燃气表；当然，计量传感器4不局限于上述两种传感器，还可以为其他能够检测管路内流体的传感器，在此不做具体限定。
41.在本发明的一个实施例中，结合图3所示，所述电源开关电路5包括pmos开关电路51和nmos开关电路52，所述nmos开关电路52的栅极和漏极分别与所述主控模块2和所述pmos开关电路51的栅极电连接，所述pmos开关电路51的源极和漏极分别与所述电池1和所述外设模块6电连接。
42.需要说明的是，pmos开关电路51包括pmos管q1和电阻r1，nmos开关电路52包括nmos管q2、电阻r2和电阻r3，所述pmos开关电路51中pmos管q1的源极与电池1电连接，所述pmos开关电路51中pmos管q1的漏极与所述外设模块6电连接，此时pmos管q1的导通或关断决定了电池1是否向外设模块6供电；通过nmos开关电路52中nmos管q2的栅极g通过电阻r2与主控模块2连接，此时当主控模块2处于工作状态时，主控模块2可以输出高电平，以控制nmos管q2以及pmos管q1导通，从而使得电池1经过pmos管q1给外设模块6供电；当主控模块2处于待机状态时，电源开关电路5的导通和关断（截止）是电压驱动型，等效于电容的充放电，即电源开关电路5的关断状态下不需要主控模块2持续输出电流来维持，几乎不消耗任何电流，这就意味着主控模块2在待机状态下，电源开关电路5、以及受其控制的外设模块6
例如通信模块64、电源模块63均不消耗电池1能量，从而有效降低了计量器具的待机功耗；其中，pmos开关电路51中的源极的vbat-in连接电池1，pmos开关电路51中的漏极的vbat-out连接外设模块6。
43.在本发明的一个实施例中，所述外设模块6包括水阀61，所述水阀61的电源端与所述pmos开关电路51的漏极电连接，所述主控模块2与所述水阀61的受控端电连接，以控制所述水阀61通断。
44.需要说明的是，当水阀61的导通或关断所需的能量小，即水阀61的功率较小时，通过主控模块2与水阀61的受控端电连接，从而可以通过主控模块2控制水阀61的导通或关断，从而实现对水阀61的智能控制；另外，通过水阀61的电源端与pmos开关电路51的漏极电连接，以及pmos开关电路51的源极与电池1电连接，故电池1通过pmos开关电路51与外设模块6的水阀61连接，从而可以给水阀61提供工作电源。
45.结合图4所示，主控模块2的电路符号用u2表示，主控模块2的引脚3-6与时钟模块3电连接；电源开关电路5中nmos开关电路52的栅极与主控模块2的引脚54电连接，主控模块2的引脚42和引脚43可以通过传感器接口与计量传感器4电连接，以实现对管路内流量数据的获取。
46.在本发明的一个实施例中，结合图2和图5所示，所述外设模块6还包括马达驱动电路62，所述水阀61包括阀门和驱动马达，所述主控模块2通过所述马达驱动电路62与所述驱动马达连接，以使所述马达驱动电路62输出pwm信号控制所述驱动马达的转动角度和速度，所述驱动马达与所述阀门驱动连接，以控制阀门的开度。
47.需要说明的是，在现有技术中，当水阀61的驱动马达功率较大时，由于主控模块2例如mcu芯片的输出电流即控制负载能力有限，如果直接通过主控模块2控制水阀61的驱动马达，可能会存在无法驱动的问题；故，所述主控模块2通过所述马达驱动电路62与所述驱动马达连接，换言之，在控制水阀61打开或关闭时，可以先由主控模块2输出控制信号至马达驱动电路62，然后马达驱动电路62再输出pwm信号以控制驱动马达的转动角度和速度，而通过驱动马达与阀门驱动连接，以实现控制阀门的开度调节；其中，马达驱动电路62输出的pwm信号的强弱可以与驱动马达的转动速度呈正相关，即当马达驱动电路62输出一个比较强的pwm信号，可以提高驱动马达的转动速度，当马达驱动电路62输出一个比较弱的pwm信号，可以降低驱动马达的转动速度。又如，马达驱动电路62输出的pwm信号的时间长短与驱动马达的转动角度呈正相关，即当马达驱动电路62输出一个更长时间的pwm信号，驱动马达的转动角度就越大，从而可以孔子阀门的开度越大，反之，当马达驱动电路62输出一个较短时间的pwm信号，驱动马达的转动角度就越小，从而可以孔子阀门的开度越小。
48.结合图5所示，马达驱动电路62包括驱动芯片u3，j3接口可以为驱动马达的接口，即j3接口与驱动马达电连接，驱动芯片u3的引脚2和3与电源模块63的3.3v电压端连接；结合图4和图5所示，主控芯片的引脚24和25与马达驱动电路62的驱动芯片u3的引脚6和7电连接。
49.在本发明的一个实施例中，结合图2和图3所示，所述外设模块6还包括电源模块63和通信模块64，所述pmos开关电路51的漏极通过所述电源模块63与所述通信模块64电连接，所述主控模块2与所述通信模块64电连接，以通过所述通信模块64向外发送数据。
50.需要说明的是，pmos开关电路51中pmos管的漏极d通过电源模块63与通信模块64
电连接，从而可以通过电源模块63先将电池1经pmos开关电路51输出的电压如3.6v转换成3.3v或者其他电压等级，以给通信模块64供电，从而可以避免通信模块64的电压过高，而出现通信模块64烧坏的情况；另外，通过主控模块2与通信模块64电连接，从而使得主控模块2从计量传感器4获取到的流体流量数据通过通信模块64向外发送，例如可以发送至后台监控终端，也可以发送智能手机、平板等，在此不做具体限定；其中，通信模块64可以为4g模块、5g模块等，还可以为nb模块，在此对通信模块64的具体类型不做具体限定；另外，结合图2所示，通信模块64上设有天线，即通信模块64通过天线向外发收数据。
51.电源模块63用于将电池1经电源开关电路5输出的一种等级电压转换成另一种等级的 电压，如电源模块63可以将电池1输出的3.6v直流电压转换成3.3v的直流电压，以便于给 通信模块64供电。
52.在本发明的一个实施例中，外设模块6还包括存储模块，所述电源开关电路5的输出端与存储模块连接，以给存储模块提供工作电源；所述主控模块2与所述存储模块连接，以将从计量传感器4获取到的流体的流量数据传输至存储模块，由存储模块进行存储。
53.需要说明的是，图中未示出，当主控模块2进入工作状态时，电源开关电路5闭合，从而使得电池1通过电源开关电路5给存储模块供电，此时主控模块2可以将流量数据传输至存储模块，以进行存储；当主控模块2进入待机状态时，由于电源开关电路5关断，此时电池1无法通过电源开关电路5给存储模块供电，此时存储模块无法存储主控模块2传输过来的流量数据。
54.本发明另一实施例提供一种用于流体的计量器具的计量方法，基于如上述实施例所述的用于流体的计量器具，包括如下步骤：电池1给计量传感器4和所述主控模块2供电； 当所述主控模块2进入低功耗的待机状态时，电源开关电路5处于关断状态，外设模块6不通电；计量传感器4采集管路内流体的流量数据，并将所述流量数据传输至所述主控模块2。
55.需要说明的是，通过计量器具对管路内流体的流量数据进行计量，可以通过电池1直接给主控模块2和计量传感器4供电，使主控模块2和计量传感器4得电工作；可以通过时钟模块3控制主控模块2在工作状态或待机状态之间进行切换；当主控模块2进入工作状态时，主控模块2可以控制电源开关电路5导通，使得电池1通过电源开关电路5给外设模块6例如水阀61、马达驱动电路62和电源模块63供电，电源模块63给通信模块64供电，此时主控模块2可以通过马达驱动电路62控制水阀61的驱动马达工作，以实现对水阀61的打开或关闭以及开度调节；主控模块2可以将计量传感器4采集到的管路内流体的流量数据通过通信模块64向外传输。
56.当主控模块2进入待机状态时，这时电源开关电路5关断，此时电池1与外设模块6之间回路断开，外设模块6断电不工作，此时只有主控模块2和计量传感器4从电池1获取电能，从而可以大大降低计量器具的待机功耗；计量传感器4可以实时采集管路内流体的流量数据，并直接传输至主控模块2。
57.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此；本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。