基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表制造技术

本发明专利技术公开一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表。它包括膜式燃气表基表、3*直读式红外编码器、3*7选1开关模块、红外编码采集和数据处理模块、光照环境能收集和通信模块、振动环境能收集模块等。3*直读式红外编码器输出模拟量编码值，经3*7选1开关模块、红外编码采集和数据处理模块、上传燃气的数字量数据至光照环境能收集和通信模块。本发明专利技术的电能取自环境；按用电需求设计光照振动互补环境能收集方案的可用性好；单环半圆编码工艺简单、便于纠错；微功耗管理电路提升了环境能收集的效率；较低无线通信频率的EnOcean标准协议具有良好的绕射能力；极化继电器和中断喚醒技术则优化了环境能的利用。

【技术实现步骤摘要】
基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表
本专利技术属燃气表自动抄表的技术范畴，特别是指基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表。
技术介绍
随着城市化进程的持续推进和住房条件的不断改善，高层住宅大量涌现、日渐成为居住的主流业态；伴随高层住宅如影相随的水、电、燃气表的抄表难度亦倍增加剧。通过业界数十年的不懈努力，水电抄表问题相当程度上得到了解决或缓解。杭州推行一户一表之日，就是水表抄表难题不复存在之时，此外一户一表有利供水品质的改善，因此居民乐意为“一户一表”付费买单；在杭的新建高层住宅中标配集中式电表屏，电表的抄表难题迎刃而解；唯独燃气表的抄表举步维艰，不见起色！杭州管道天然气发展迅速，2012年管道天然气用户逾57万户，较2011年增长8.95％；但是时至今日杭州管道天然气公司的抄表模式依旧：抄表员定时入户实地抄表。燃气作为国家公共事业的重要组成部分，是居民日常生活中必不可少的能源；燃气表与水电表不同，从使用的安全视角考量，现有技术条件下不允许将其移到户外；換言之，燃气表无法复制水电表的成功之路--变更计量表安装地点。入户人工抄表模式存在诸多缺陷：企业承担高昂的人力成本压力，苦不堪言；抄表员劳动强度大、效率低，漏抄误抄率高、抄表数据的质量欠佳；用户体验差，居民不认同。1986年，美国建立了自动抄表研究协会，旨在发展和推广自动抄表技术。2000年，国家科委和建设部在《2000年小康型城市住宅科技产业工程示范小区规划设计导则》中提出解决入户抄表问题；2004年6月1日，建设部正式颁布行业标准：《JG/T162—2004住宅远传抄表系统》和《CJ/T188—2004户用计量仪表数据传输技术条件》；2009年10月19日，再次颁布融合各方意见的行业标准《JG/T162—2009住宅远传抄表系统》。一系列标准的颁布对规范自动抄表行业，推动行业技术进步具有积极的意义。遗撼的是燃气抄表却与标准的要求大相径庭，有必要在分析、评估燃气自动抄表领域各种解决方案和技术的基础上，否定落伍的技术、汲取合理的成份，设计燃气自动抄表的基本体系框架。·IC充值卡解决方案。IC卡易受高压攻击损坏，不支持燃气售价随行就市的企业需求；电池更换烦人，欠费充值麻烦。固有的技术缺陷和用户体验差，风糜一时的IC充值卡解决方案终成弃儿。江苏扬州市曾是首批吃螃蟹者，2003年该市全面停用長达6年时间跨度的燃气IC充值卡系统。·有/无线抄表解决方案。有(专)线抄表的投资不菲、抄表专线常因人为破坏影响正常使用，布线和维护的工作量巨大，而且系统的可扩展性有限；围绕有线抄表解决方案的质疑声从未停息，有线抄表方案处于不断边缘化的进程中。无线抄表系统技术可靠、系统的伸缩性上佳，无需布线、运维工作量适中，无线解决方案在燃气抄表业务方面优势明显。·脉冲/直读式测量。燃气表基表(表具内置机械计量)属一次测量，脉冲式测量为二次测量；理论上两者应一致、工程中两者呈差异(误差)；必须指出，脉冲式测量造成的误差属累计误差，累计误差对燃气表计量精度的损害是灾难性的。严格的学术研究范畴中，所谓的直读式测量与测量无关、本质上是一种位置识别技术和方法；因为其完全遊离测量技术和测量方法，称其为机械计量表具的“显示方式”倒也实至名归。2005年以前，使用较多的是脉冲式测量。脉冲数采技术落后、易受电磁干扰、数据稳定性和准确性不高；运行时需一直通电、功耗大，配设必需的后备电源又增加了技术的复杂度；渐行渐远的脉冲式测量逐步淡出了业界的视线。综上所述，燃气自动抄表解决方案应聚焦直读式无线燃气表体系框架的搭建。鉴于燃气自动抄表差強人意的现状，本专利技术从直读式无线燃气表的不足切入，分析“不足”的源由，立足主流膜式燃气表的工况和抄表需求，设计消除“不足”的应对之策，提出可行的燃气自动抄表解决方案。1、无线通信的室内传输性能亟待提高。国内燃气表无线抄表主要基于2.4GHz频率的ZigBee；由于ZigBee是标准协议，能得到成熟的软硬件套件支持、以及可供借鉴模仿的众多成功案例的协助；故技术门槛相对较低，自然成为业界的首选。频率与绕射能力成反比，高频ZigBee的绕射指标数据偏低、承担燃气表的室内传输力不从心。业界意识到问题的症结所在，如上海大众燃气有限公司曾尝试433MHz无线通信；433MHz无线通信需自行设计从底层到上层的协议、低功耗模式，技术门槛高、无疾而终。消除“问题症结”的应对之策是：移植有成熟软硬件套件支持的、低无线通信频率的EnOcean标准协议。2、网络拓扑结构不确定性技术瓶颈。新建小区入住率的随机性、往往存在大量空置房，廉租房的租户资格动态认定机制也导致一段时间内的空置房，以及其它原因产生的空置房等；空置房造成网络拓扑结构的不确定，业界尚无化解“不确定”良策。消除“技术瓶颈”的应对之策是：拷贝水电表抄表的成功之路，即采用无线手持抄表器户外抄表模式。水电气三表的抄表关键是：不入户！全自动远程抄表是理想目标，但不入户抄表仍是可接受的解决方案，毕竟创新要在技术先进性、费用低廉性和技术可行性三者间进行全面的权衡取舍。3、直读式测量技术的复杂度偏高。业界通行“在普通燃气表的计数器字轮印刷0--9位置的外缘再印刷特定标记(或在字轮上开不同尺寸的孔)，在其外围固定光电传感器及相关电路”【刘福玉.光电直读式远传燃气表及集中抄表系统[J]，机械与电子,2012.5】；显然，“直读式测量”的复杂度偏高，既阻碍直读式无线燃气表的抄表数据质量，又加重MCU的开销和能耗。消除“技术复杂度偏高”的应对之策是：设计海明距离1纠错编码器，实施直读式燃气测量。4、电源问题。直读式无线燃气表使用一次性电池作为电源，电池能量有限、更换在所难免，定时更换几十万户居民室内的电池实非易事；另一方面，电池自身更是直读式无线燃气表的主要故障源之一；电源问题限制了其大面积应用和发展。消除“电源问题”的应对之策是：摆脱对电池的依赖，采用环境能量收集技术、从燃气表周围环境收集电能。从用电需求侧剖析直读式无线燃气表能耗特征：当且仅当燃气表通信、红外光电读取燃气数据时，需mA级电流；其余时段仅需μA级电流。杭州管道天然气公司每2个月抄一次表，相当于2个月通信一次、红外光电读取燃气数据一次；考虑到机械计量与电子数据的同步、燃气表的自检和电子数据的可靠性，燃气表机械计量时红外光电须读取同步的燃气电子数据。环境能有太阳、电磁、振动、热、风、核能等，膜式燃气表收集的环境能是光照能和振动能。室光中太阳能电池结合超级电容提供稳定的μA级电流，短时间(秒级)的mA级电流；膜式燃气表供气时，采用压电能量捕获技术提供mA级电流；一言以蔽之，应用光照振动互补能量收集技术提供直读式无线燃气表的电能。采用光照振动互补能量收集技术提供直读式无线燃气表的电能；在燃气表基表机械计量基础上，通过计量齿轮上增设单环半圆编码透空孔、海明距离1纠错编码器，采集燃气的电子数据；无线通信移植有成熟软硬件套件支持的、315MHZ的EnOcean无线通信标准协议。本专利技术未涉及无线手持抄表器。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表。基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表包括膜式燃气表基表、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表，其特征在于包括膜式燃气表基表（100）、3*直读式红外编码器（200）、3*7选1开关模块（300）、红外编码采集和数据处理模块（400）、光照环境能收集和通信模块（500）、振动环境能收集模块（600）、极化继电器（700）、肖特基二极管（800）；膜式燃气表基表（100）、3*直读式红外编码器（200）、3*7选1开关模块（300）、红外编码采集和数据处理模块（400）顺次相连，3*直读式红外编码器（200）和3*7选1开关模块（300）并联后与极化继电器（700）第一输出端相连，极化继电器（700）输入端分别与红外编码采集和数据处理模块（400）供电端、振动环境能收集模块（600）供电端、肖特基二极管（800）阴极相连，肖特基二极管（800）阳极、光照环境能收集和通信模块（500）、极化继电器（700）第二输出端顺次相连；直读式无线燃气表的电源能量源自光照振动互补环境能，燃气表能量流的电压参数如下：光照环境能收集和通信模块（500）输出电能、输出电压VCC1=3.3V，振动环境能收集模块（600）无/有效时、输出电压VCC2=0/3.3V；VCC1经肖特基二极管与VCC2连结，VCC2=0时、VCC3 = VCC1 –ΔV=3.3V–ΔV，VCC2=3.3V时、VCC3 = VCC2 =3.3V，其中ΔV=0.2～0.3V是肖特基二极管的压降；燃气表燃气数据信息流的流程如下：膜式燃气表基表（100）计数器中内嵌3*直读式红外编码器（200）、直读式红外编码器（200）输出燃气的模拟量编码值，经3*7选1开关模块（300）选通红外接收编码管、红外编码采集和数据处理模块（400）进行AD和数据处理、上传燃气的数字量数据至光照环境能收集和通信模块（500）；借助无线手持抄表器与光照环境能收集和通信模块（500）的无线通信，实现燃气数据的无线抄表；燃气表互补环境能能量流的流程如下：燃气表断气时，振动环境能收集模块（600）无效、极化继电器断开、3*直读式红外编码器（200）和3*7选1开关模块（300）失电；光照环境能收集和通信模块（500）收集的光能转化成电能、在超级电容支持下提供模块自身所需的电能、供电电压VCC=3.0～5.0V，同时维系休眠状态下红外编码采集和数据处理模块（400）的供电、供电电压为VCC3 = VCC1 –ΔV=3.3V–ΔV；燃气表通气时，振动环境能收集模块（600）生效、极化继电器闭合，工作状态下红外编码采集和数据处理模块（400）、3*直读式红外编码器（200）和3*7选1开关模块（300）得电、上述三模块的供电电压为VCC2=3.3V；光照环境能收集和通信模块（500）仅提供模块自身耗用的电能，模块自身的供电电压为VCC、输出的电压VCC1=3.3V；VCC1= VCC2=3.3V，即光照环境能收集和通信模块（500）不向模块外输出电能。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表，其特征在于包括膜式燃气表基表（100）、3*直读式红外编码器（200）、3*7选1开关模块（300）、红外编码采集和数据处理模块（400）、光照环境能收集和通信模块（500）、振动环境能收集模块（600）、极化继电器（700）、肖特基二极管（800）；膜式燃气表基表（100）、3*直读式红外编码器（200）、3*7选1开关模块（300）、红外编码采集和数据处理模块（400）顺次相连，3*直读式红外编码器（200）和3*7选1开关模块（300）并联后与极化继电器（700）第一输出端相连，极化继电器（700）输入端分别与红外编码采集和数据处理模块（400）供电端、振动环境能收集模块（600）供电端、肖特基二极管（800）阴极相连，肖特基二极管（800）阳极、光照环境能收集和通信模块（500）、极化继电器（700）第二输出端顺次相连；直读式无线燃气表的电源能量源自光照振动互补环境能，燃气表能量流的电压参数如下：光照环境能收集和通信模块（500）输出电能、输出电压VCC1=3.3V，振动环境能收集模块（600）无/有效时、输出电压VCC2=0/3.3V；VCC1经肖特基二极管与VCC2连结，VCC2=0时、VCC3=VCC1–ΔV=3.3V–ΔV，VCC2=3.3V时、VCC3=VCC2=3.3V，其中ΔV=0.2～0.3V是肖特基二极管的压降；燃气表燃气数据信息流的流程如下：膜式燃气表基表（100）计数器中内嵌3*直读式红外编码器（200）、直读式红外编码器（200）输出燃气的模拟量编码值，经3*7选1开关模块（300）选通红外接收编码管、红外编码采集和数据处理模块（400）进行AD和数据处理、上传燃气的数字量数据至光照环境能收集和通信模块（500）；借助无线手持抄表器与光照环境能收集和通信模块（500）的无线通信，实现燃气数据的无线抄表；燃气表互补环境能能量流的流程如下：燃气表断气时，振动环境能收集模块（600）无效、极化继电器断开、3*直读式红外编码器（200）和3*7选1开关模块（300）失电；光照环境能收集和通信模块（500）收集的光能转化成电能、在超级电容支持下提供模块自身所需的电能、供电电压VCC=3.0～5.0V，同时维系休眠状态下红外编码采集和数据处理模块（400）的供电、供电电压为VCC3=VCC1–ΔV=3.3V–ΔV；燃气表通气时，振动环境能收集模块（600）生效、极化继电器闭合，工作状态下红外编码采集和数据处理模块（400）、3*直读式红外编码器（200）和3*7选1开关模块（300）得电、上述三模块的供电电压为VCC2=3.3V；光照环境能收集和通信模块（500）仅提供模块自身耗用的电能，模块自身的供电电压为VCC、输出的电压VCC1=3.3V；VCC1=VCC2=3.3V，即光照环境能收集和通信模块（500）不向模块外输出电能。2.根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表，其特征在于所述的3*直读式红外编码器（200）由个位编码器、十位编码器和百位编码器组成，3个编码器的原理和结构类同，供电电压VCC2=3.3V；个位编码器包括计数器字轮上1.5mm宽的单环半圆编码透空孔（201）、红外发射管（202）、红外接收编码组管（203），红外发射管（202）和红外接收编码组管（203）垂直正对计数器字轮、且与单环半圆编码透空孔（201）处在同一圆弧上；单环半圆编码透空孔随字轮旋转，抄表时红外发射管发射红外光，红外接收编码管或因字轮透空孔接收成功、或因字轮表盘遮挡接收失败，通过红外接收编码管的通断状态、获取字轮相应的转角位置；个位编码器的红外接收编码组管由7只红外接收编码管组成，其中5只红外接收编码管居中相隔360均匀排列，2只纠错红外接收编码管分布在接收编码管的两端：第S、E纠错红外接收编码管分别与第1、5红外接收编码管相距180；个位编码器的第S红外接收编码管与个位编码器的7选1开关模块CD4051脚1相连，个位编码器的第1红外接收编码管与个位编码器的7选1开关模块CD4051脚2相连，余类推；个位编码器输出的燃气模拟量编码格式是：海明距离1带纠错功能的模拟量编码。3.根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表，其特征在于所述的3*7选1开关模块（300）由个位7选1开关模块、十位7选1开关模块和百位7选1开关模块组成，3个7选1开关模块的原理和结构类同，供电电压VCC2=3.3V；个位7选1开关模块以个位CD4051为核心，个位编码器第S、1、2、3、4、5、E红外接收编码管的输出分别与CD4051脚1、2、4、5、12、13、14相连；红外编码采集和数据处理模块（400）STC12LE5A60S2脚18、19、20、44分别与CD4051脚9、10、11、3相连；个/十/百位的CD4051脚6分别与红外编码采集和数据处理模块（400）STC12LE5A60S2脚21、22、23相连；红外编码采集和数据处理模块（400）STC12LE5A60S2脚21、22、23输出个/十/百位CD4051的片选信号，红外编码采集和数据处理模块（400）STC12LE5A60S2脚9、10、11决定CD4051的7选1输入信号通道，选通的红外接收编码管信号送至STC12LE5A60S2脚44进行AD采样。4.根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表，其特征在于所述的红外编码采集和数据处理模块（400）以STC12LE5A60S2为核心，供电电压VCC3；STC12LE5A60S2脚21、22、23分别与个/十/百位的CD4051脚6相连、给出CD4051的片选信号；STC12LE5A60S2脚18、19、20与个/十/百位的CD4051脚9、10、11相连、给出CD4051的7选1输入通道选择信号；STC12LE5A60S2脚44与个/十/百位的CD4051脚3相连、对选通的红外接收编码管信号进行AD采样；STC12LE5A60S2脚42、43分别与光照环境能收集和通信模块（500）STM300C脚22、21相连，上传燃气的数字量数据；STC12LE5A60S2脚8与振动环境能收集模块（600）LTC3588_1脚10相连，输入振动环境能收集模块（600）电能就绪的中断信号0、极化继电器闭合、喚醒处在休眠状态下的STC12LE5A60S2、启动燃气数据的采集进程；STM300C脚11检测振动环境能收集模块（600）电能的就绪状态，STC12LE5A60S2脚9与STM300C脚16相连；STM300C检测振动环境能收集模块（600）电能未就绪，STM300C向STC12LE5A60S2发出电能未就绪的中断信号1，极化继电器断开、STC12LE5A60S2转入休眠、中止燃气数据的采集进程；反之极化继电器闭合、继续燃气数据的采集进程。5.根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表，其特征在于所述的光照环境能收集和通信模块（500）以STM300C和MAX666为核心，供电...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁松明，童赟，黄懿明，吴明光，
申请(专利权)人：浙江大学，祁松明，
类型：发明
国别省市：浙江;33