基于水流蓄能的无线智能水表设计

基于水流蓄能的无线智能水表设计

周巧仪 张智靓 俞昌亨

浙江建设职业技术学院 浙江杭州 311231

[摘要] 本项目设计从环保与能源利用方面着手，采用在水管中加装微型水力发电机的方式，利用水龙头放水时的水流推动涡轮高速旋转，从而带动导体切割磁场产生电能，并将获得的电能通过锂电池储存起来，为智能水表提供电源；利用LoRa技术实现超低功耗、超远距离的无线数据通讯，其研究成果可用于到智能建筑的自动抄表系统和能源管理系统中，实现对水资源的智能化管理，节约智能建筑运维成本。

[关键词]水流蓄能；LoRa通讯；智能水表；能耗管理；节能

Design of wireless intelligent water meter based on water flow energy storage

Zhou Qiaoyi Zhang Zhiliang

Zhejiang Construction Vocational and Technical College Hangzhou Zhejiang 311231

[Abstract] The design of this project starts from environmental protection and energy utilization, adopts the way of installing micro hydro generator in the water pipe, uses the water flow when the faucet discharges water to drive the turbine to rotate at high speed, thus driving the conductor to cut the magnetic field to generate electric energy, and stores the obtained electric energy through the lithium battery to provide power for the intelligent water meter; uses Lora technology to realize ultra-low power consumption and ultra long distance Wireless data communication, its research results can be used in the automatic meter reading system and energy consumption management system of intelligent building, to realize the intelligent management of water resources and save the operation and maintenance costs of intelligent building.

[keywords] Water flow energy storage; Lora communication; intelligent water meter; energy consumption management; energy saving

我国水资源极其匮乏，根据相关资料显示，我国每年城市缺水达60亿立方，因此造成约两千亿元的经济损失^[1]。与此同时，水资源又存在低效利用和大肆浪费的情况。因此，迫切需要借助智能水表，实现对水资源的智能化管理。本设计利用水流蓄能技术为智能水表供电，结合LoRa通信技术实现智能水表能源自供给，智能数据采集，远程控制阀门，无线远程抄表等多种优秀性能。

1 水流蓄能技术

作为无线通讯类的智能水表，普遍存在一个软肋——电源供应问题。为了真正实现无线，这一类的表具已经取消了有线供电的方式，普遍采用干电池供电，这一供电方式具有结构简单、无需布线、供电成本低等优势，同时也存在着需要定期更换电池、干电池的废弃易造成环境污染等缺点，因此，寻找一种真正绿色环保的智能水表供电方式迫在眉睫。

水力发电已经有一百多年的历史，目前国内外都有在这方面的设计和发明，但是家庭自来水发电的应用还比较少见。日本于1997年就积极发展“自来水系统发电”，并建立自来水系统发电厂^[2]。由于自来水的发电量有限，这类发电厂未能得到进一步的推广。随着微型自来水发电器的出现，让人们发现了它的新用途，即采用随取随用的方式将自来水发电所得的电能加以利用。如:H2O™，Tango Group / E Group公司发明的水力发电收音机（H2O Power Radio），给收音机内置了一部超迷你尺寸的水力发电机，可将它接在淋浴的出水口。洗澡时水流流过收音机带动微型发电机发电，进而让收音机工作起来；又如TOTO洁具推出的水力发电式电动感应水龙头，采用微型水力发电机组合蓄电池的方式为自感应水龙头供电

^[3]。

2 自动抄表技术

自动抄表技术首先是在电力系统开始发展的。国外载波通信技术起源于上个世纪30年代，60年代传到国内，80年代我国已经可以自主生产高压载波机^[4]。由于低压电网并不是为通信网络设计的，因此以低压电力线作为通信信道的效果并不理想^[5]。直到90年代以后，开始出现各种类别的集中抄表系统^[6]。2000年以后，随着计算机技术，通讯技术和网络技术的成熟，无线抄表逐步进入了实用阶段。目前市面上可以见到的智能水表有预付费型的智能卡水表、总线集抄制水表（即利用各类总线例如RS485，M-BUS，CAN等把数据归总到集中器，然后再传送到服务器）和无线通信制水表。比较成熟的无线方案主要有GPRS，CDMA，ZigBee，小无线(1GHz以下)。无线网络利用电磁波在空气中发送和接收数据而无需线缆介质，使用方便，已经有广泛应用^[7]。

LoRa技术则是一项最近几年才发布的面向无线传感网络与控制应用的通信技术，2013年美国Semtech（升特）公司发布了RF收发IC新产品“SX127x”，该系列芯片提供的LoRa技术最大传输距离在可视环境下可达到15km、在有障碍物的市区可达到2～5km，频率范围为137MHz～1050MHz。适用于工业自动化设备、自动抄表系统、无线传感器网络、无线报警与安全系统等。^[8]2015年Microchip（美国微芯科技公司）推出了首款LoRa技术的产品，433/868MHz RN2483模块，可实现物联网（IoT）和机器对机器（M2M）无线通信距离超过10英里（郊区），电池使用寿命可达10年以上，并且能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来^[9]。

从技术角度分析，LoRa使用免费、抗干扰能力强、成本低、功耗低、时延短、传输可靠、施工要求低等特点决定了比其他技术更具有优势。尤其是其低功耗和传输距离远的特性，在目前的技术条件下，它是最适合用于水表自动抄表的技术，有理由相信在不久的将来它将会在自动抄表领域占据主导地位。^[10]

3 项目设计

图1 水流蓄能智能水表硬件框图

3.1 MCU控制模块^[11]

基于水流蓄能的智能水表为实现能源的自供给，需要实现超低功耗运行。而微控制决定了整个智能水表的功耗和性能。本智能水表设计采用意法半导体公司STM32L系列微控制器。该控制器采用Cortex-M3内核，具有超低功耗，实时性好，外设丰富，代码灵活等特点。同时，该芯片具有低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待机模式5种低功耗工作模式，以及创新型自主动态电压调节功能。^［5］这些特点有利于实现智能水表低功耗设计，在低功耗的原则下实现多功能，可满足无线蓄能智能水表的设计需求。

3.2 LoRa通信模块

智能水表与服务器之间的通信是整个无线自动抄表过程的关键，其通信性能决定着整个自动抄表系统的性能。从技术角度分析，LoRa通信技术抗干扰能力强、传输可靠、功耗低、时延短、使用免费、成本低、施工要求低，在目前的技术条件下，它是最适合用于水表自动抄表的技术。本设计采用Microchip公司推出的433/868MHz RN2483模块，该模块IoT和M2M无线通信距离可超过10英里（郊区），并且能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来。^［6］

3.3 流量采集模块

流量采集模块采用中断采集模式，利用流体传感器带动智能水表齿轮转动，当智能水表转动一圈时，中断模式的I/O口电平会拉低，从而发出中断信号。在智能水表接收到有效的中断脉冲信号后，MCU由休眠模式转至工作模式，并记录一次中断信号。通过这种中断采集模式对中断脉冲进行计数，记录用水量。

3.4 水流蓄能模块

水流蓄能模块主要包括微型水轮发电机、稳压控制回路、充电保护电路和锂电池组成。微型水轮发电机装设于电磁阀之前，当有水流流过时带动水轮发电，通过稳压控制回路输出5V直流电压为锂电池充电，利用充电保护模块将输出电压稳定在锂电池允许的充电电压范围之内，从而保证锂电池不会因为过充而损坏，保障了充电的安全。储存在锂电池中的电能作为低功耗运行的LoRa通信智能水表正常工作所需能源储备。

4 结语

本项目设计从环保与能源利用方面着手，通过微型自来水发电装置实现智能水表的能源自供给，结合LoRa技术实现超低功耗、超远距离的无线数据通讯，其研究成果可以应用到智能建筑的自动抄表系统中，实现对水资源的智能化管理，节约智能建筑运维成本，达到节能减排的目的，顺应国家绿色节能建筑的建设标准。

参考文献

[1] 周雪蕾.设施农业用水计量与调度管理系统的应用研究[D] .太原：太原理工大学，2011.

[2] 李雪文.日本正积极发展“自来水系统发电”[J] .电气时代，2000,3:15

[3] 水力发电式自感应水龙头[N].今日信息报，2003-3-19（002）。

[4] 吴建军.远程电力抄表系统国内外研究现状综述[J].铜仁职业技术学院学报，2007,15(5：59-61.

[5] Sivaneasan B，So P.L，Gunawan E.A New Routing Protocol for PLC-based AMR Systems[J].IEEE Transacson Power Delivery，2011,26(4):2613-2620.

[6] 王文蔚，王祖明.我国电水气集中抄表系统的概况[J] .电气时代，2001,z1:B18-B19.

[7] 孙丽艳.无线网络技术优势、应用及发展方向研究[J].硅谷，2008,20:58-91.

[8] 佳工机电网.Semtech发布采用LORA技术的RF收发IC新品SX127x传输距离长达15km[EB/OL].http://cn.newmaker.com/news_108220.html, 2013-10-31.

[9] Microchip公司.Microchip LoRa®无线模块全球首获LoRa联盟认证[EB/OL]. http://www.elecfans.com/tongxin/rf/20151228396167.html. 2015-12-28.

[10] 罗贵英.基于LoRa的水表抄表系统设计与实现[D].杭州：浙江工业大学.2016

[11]周巧仪. 基于LoRa通讯的水流蓄能智能水表设计[J] .电气时代，科技创新与应用，2019,12

作者简介：（周巧仪，1981年3月30日，女，汉族， 浙江诸暨人，硕士，讲师，研究方向：建筑智能化；微波、光电器件设计）

基金项目1：浙江建设职业技术学院省属高校基本科研业务费项目（项目编号：201906）

项目名称：基于水流蓄能的无线智能水表设计

基金项目2：浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（项目编号：2020R443009）

项目名称：基于LoRa通讯的水流蓄能智能水表设计

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