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摘要：本文着眼用户侧节水节能的智能化理念，重点分析利用433MHz无线通信模块和水轮机发电模块，将水管中的尾能利用于发电，让水表转动的同时达到自我供电，甚至低谷过剩电能转为高峰优质电能，自发电智慧水务系统通过电源管理模块，电机驱动电路，无线发射模块等，同时采用精准计量的霍尔式流量计，构成返回的脉冲和流量计曲线分析数据。利用单片机采集数据，并返回计算机后台进行分析，反馈给用户，通过尾能可再生能源消纳和用户侧绿电循环机制，以及储能系统、电力电子设备多能互补等，保障用户侧稳定、节能、放心的智能化体验。

关键词：双碳;水表;智能;清洁能源;无线通信;自发电智能;环保性;技术保障

0 引言

为推动水务及环保行业高质量发展，水利部在全国水利工作会议上明确指出，要推进国家水网智能化改造，充分运用物联网、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术，加快智慧水利建设。在“四个革命、一个合作”能源安全新战略方向下，为水务及环保公用事业的长足发展指明方向。“智慧民生”机械水表智能化发展物联趋势明显加快。

如何节约现实生活中的实际用水、规范水资源管理、充分利用现有资源，成为我们发现并撰述该论文的首要考虑因素。并就当前发展智能水网的思路与想法，提出了“双碳”背景下基于433MHz无线通信模块的用户侧新型自发电智慧水务系统的节能减排新思路与新想法。

1 “水能”涡聚服务“全球能源互联网”

1.1针对智能水表传感器检测的研究

让水表转动的同时达到自我供电、抽水蓄能，甚至低谷过剩电能转为高峰优质电能，该系统利用433MHz无线通信模块和水轮机发电模块，将水管中的尾能利用于发电，创新的将尾能替代水表所需电池化学能，使水表不需要额外提供电能。“双碳”背景下基于433MHz无线通信模块的用户侧新型自发电智能水表系统通过电源管理模块，流量检测模块，电机驱动电路，LCD显示电路，无线发射模块，在硬件上实现水表自发电供给自身使用和利用流量计对用水量进行精密计算，同时解决了小型水轮机自来水流速不固定的问题，通过稳压模块和蓄电池输出稳定电压。同时采用精准计量的霍尔式流量计，构成返回的脉冲和流量计曲线分析数据。利用单片机采集数据，并返回计算机后台进行分析，反馈给用户，对数据进行智能分析与用水规划，将数据联网，作为参考提供给公司端。

1.2水表数据传输系统的软件优化及技术改进

软件上实现针对用户：绘出各时段用水量的图表、根据用水量规划用水、计算本月阶梯式水费，联网支付。针对自来水厂提出：将用户每月用水量发送到统计中心，免去人工查询、定期发送自来水的指标、比较检验是否有管道漏水。通过尾能可再生能源消纳和用户侧绿电循环机制，以及储能系统、电力电子设备多能互补等，保障用户侧稳定、节能、放心的智能化体验。通过实验设计了一套新型智能家居——自发电智能水表。该自发电智能水表该智能水表分为电源管理模块，流量检测模块，电机驱动电路，LCD显示电路，无线发射模块五个模块。在用户入户自来水管中安装小型水电机发电供给稳压模块，来提供不间断电源给除发电模块的其余四个模块使用。单片机模块主要负责进行数据分析，总结，联网，显示功能。无线传输模块负责数据传输。

1.3建立统一兼容的智慧水务管理平台

在传统水表的基础上进行改进，不仅利用水轮机发电，利用自来水尾能并给其余模块供电。还采用流量计，利用回收脉冲及流量计曲线编程使计算水量更精确。同时对数据进行分析处理，反馈给用户，实现智能家居的一环。并将数据联网，作为参考提供给自来水公司。该水表摒弃了机械式水表由于长时间使用，齿轮磨损和杂质沉积而造成的精度大大下降得缺点，自发电智能水表利用脉冲计算，精度更高，使用年限更长，功能更加齐全。同时与现在市场上的电子式水表相比，自发电智能水表不需要额外提供电能而是利用自来水尾能发电，节约了电能，还可以帮助规划合理使用水能，实时了解用水状况，达到了节能减排的目的。

2 “绿电”联网构建“坚强无线新模式”

2.1方案拟定位功能

（1）有效的自发电体系。在使用时，利用流经水管的水的动能进行发电，并将电能用于电子式水表的自身用电和完整的居民用户家中水表的计费用电。

（2）实时的居民用水规划。当前我国多数国家已经实现了阶梯水价，通过对该水表的设计，针对用户提出：a.绘出各时段用水量的图表;b.根据用水量规划用水，经济环保;c.计算本月阶梯式水费，联网支付。针对自来水厂提出：a.将用户每月用水量发送到统计中心，免去人工查询，节省人工;b.定期发送自来水的指标，如水压水速等，帮助自来水公司合理规划是否扩建自来水管;c.比较上下级节点的用水量，检验是否有管道漏水;

（3）准确的用水计量体系。我们采用更加准确的流量计以及优化的防止偷水方案，一方面更加准确实时的计量居民当月、当天的用水量。同时通过优化设计，防止因为电子式水表电池耗尽以及机械式水表倒转而造成的偷水用水行为。

结合上述方案设想，我们提出自发电智能水表这个构想，设计出如下图5所示的模块化设计方案，不仅能够精确的记录水量，自发电供应所需电量并且兼具数据无线传输，根据不同城市阶梯式水价标准计算水费、规划用水量等众多功能，既面对用户又面对自来水厂，一举多得，参与构建智能家居与智能水网。

该自发电智能水表该智能水表分为电源管理模块，流量检测模块，电机驱动电路，LCD显示电路，无线发射模块五个模块。在用户入户自来水管中安装小型水电机发电供给稳压模块，来提供不间断电源给除发电模块的其余四个模块使用。单片机模块主要负责进行数据分析、总结、联网、显示功能。无线传输模块负责数据传输。

2.2方案设计

（1）自来水发电模块。在当前全球变暖问题日趋严重的大背景下，绿色能源是社会发展的首选能源，它的使用是改善恶劣环境最有效的办法。尾能利用也是一个能源热点。将水管中的尾能利用于发电，一是有微型水轮发电机较为成熟的技术作为技术支持，二是利用水管中的尾能替代水表所需电池化学能，达到节能减排的目的。

微型水轮发电机组与中大型水轮发电机组的结构基本一样，但是微型水轮发电机为提高用电稳定性，增加了独立的稳压系统。微型水轮发电机组单机容量和转轮直径较小，适用的水头低、水流量少，特别是在中低水头下得到广泛运用。

（2）电子流量计模块。计算流量精度是衡量项目优劣的重要指标，水表测量是否准确与流量计的采用有很大的关系，在精心设计时，进行了大量比较发现现在市场上存在的机械式水表采用“十进制数齿轮”啮合，达到累计转数的目的，如果想要使机械式水表的测量具有较高的精度，就必须要采用更多对的齿轮，但是齿轮的增多又会使齿轮之间咬合度变差，测量精度依旧不能提高。

而霍尔式水表它最大的优点就是依靠电信号进行流量的计算，对水的质量要求不高。由于它主要靠的是程序进行流量的计算，不存在卡死、读数不方便的问题，而且灵敏度与精度都很高。它主要缺点是需要供电，因此对设备的密封要求十分严格，但是我们的设计方案中，可以通过水轮发电机进行自发电，无需担忧供电问题，除此之外，最终成品将会封闭成一体式结构，有效的对设备进行封闭。所以该方案将霍尔式水表的特点充分扬长避短。

由于流量计输出信号频率的计算公式为：（为流速，单位：）

不难得出流速：

我们采用的是“数脉冲”的方式，即在一段时间（也就是周期）内，统计流量计送来的脉冲数量，故而我们可以知道频率为：

用柯特斯公式积分算法。对一段时间内的流量值进行简单叠加，而是在某一时间段内，对每个时间间隔得到的流速（需要转换）进行积分运算。牺牲一部分运算速度和内存来尽量消除因为水流速度不平均带来的计算误差。根据上面的步骤求出之后，不难得出，采样周期内的流量为：

不同的内的和是不一样的，所以求一段时间内的总流量需要不停地叠加，这样既浪费MCU的资源，又不是十分的精确（容易出现数据溢出等问题），故而假定我们取的足够小，小到我们可以认为有如下的连续关系：或

以为例，假定它们的函数图像如下，那么由柯特斯公式可以得到：

其中，xi = a+i*h，h = （b-a）/4，

选择合适的流量计算时间，确定适当的，便可以较为精确地求得该时间段内的总流量。

（3）无线通信模块。我们通过无线传输模块将智能水表采集到的水量信息传输给小区水量信息中心，在信息中心对用水量等重要信息进行存储、分析。在设计初期，我们考虑了蓝牙通信模块和433MHz无线通信模块，下面对这两种方案进行具体分析比较：

当前433M模块应用范围已经非常广泛，同是ISM免费频段，相对于蓝牙、WIFI等2.4GHz技术，其有着自身独特的优势，如距离远，穿透力强，绕射能力出众等，适用于小数据量应用，尤其适合智能表计的数据传输。而蓝牙模块虽然传输距离短，穿透力弱，但能与用户手机方便的相连通信。因此我们选择绕射能力强、传输距离远的433MHz模块作为智能水表与小区水量信息中心之间的通信模块，将传输距离近、通信便捷的蓝牙作为智能水表与用户间的通信模块。

（4）单片机流程设计。在本设计中，我们采用德州仪器公司MSP430低功耗单片机，整合上述模块，单片机定时5ms从电子流量计中读取瞬时流速，计算流量，通过累加得到当前这一天和这一月的流量。每半小时更新一次OLED显示屏显示，每半个月向小区内的水量信息中心传输一次数据。考虑到省电，OLED显示屏仅在用户按下按键时显示1min。从而实现自发电水表要求实现的功能，其软件流程设计如下图所示：

3 “亮点”合力融通“交易结算局域网”

智能水表就是在传统水表的基础上，融入更多的科技元素，通过智能化技术和手段，对居民的用水量进行数据计量、传递以及交易结算，属于新型的水表。智能水表主要通过特定的传感信号对水量进行全面的处理，发挥计算机信息处理的重要作用，提升计算的精准性和测量速度，实现了网络数据的沟通。根据智能水表的结构，主要包括以下几个部分：第一，信息读取的线圈;第二，水量计量 和信息传输的基表;第三，保证智能水表正常开启和关闭的执行器。第四，对日常的用水量进记录，显示日常水量数据的液晶显示器。在通常情况下，智能水表充分发挥了网络技术的便捷性和先进性，性能大大提升，改变了以往水表计量方式，融入了更多系统性和集成性的理念。随着人们的生活水平进一步提升，现代化住宅更加关注人们的私密，传统的入户抄水表的方式已经不能满足当前社会经济发展的基本需求.智能化水表的出现，必将为广大居民带来了便利，得到了广泛的应用。

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，结合现在高阶技术实现超低功耗、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。而且本次设计的装置的设计着手于居民生活中广泛使用的水表，将节能减排观念深化到家家户户，通过计算，一个自发电智能水表的节约资源能力尚可十分可观，那么如果把这项技术应用于每户的水表，用于其他涉及居民生活的其他类型的家居用品，那么造成的资源节约将是一笔很可观的能源，而这些能源也将更好的应用于居民生活中。最重要的是对于偏远地区的居民，应用本装置可以保证日常生活中的水表的准确度，同时也可以满足水表自身的用电需求，而节约的这部分能源，对于资源匮乏地区而言将更重要。

4 结束语

综上通过智能化技术和自发电手段，对居民的用水量进行数据计量、传递以及自体供电，形成了智能、节能、环保的再优化;通过特定的传感信号对水量进行全面的处理，提升计算的精准性和测量速度，实现了网络数据的沟通;结合现在高阶技术实现超低功耗的无线数据通讯，其研究成果可以应实现对水资源的智能化管理。

该文根据实际的市场需求，从系统的成本、运行功耗以及实用性等因素出发，提出了一套基于433MHz无线通信模块的用户侧新型自发电智慧水务系统解决方案。笔者认为该设计可考虑投入生产制造，作为工业企业与用户侧智慧水务设备使用。

参考文献

[1]付建文，蒋昱麒.基于LoRa技术的远程抄表系统设计[J].电子设计工程，2019，27（15）：157-160，165.

[2]俞骏豪.基于MSP430单片机的远传智能水表的设计与实现[D].保定：华北电力大学

[3]武永华，左瑞娟，陈炜，等.基于PIC24的户用水表无线远传抄表装置的设计[J].测控技术，2017，36（12）：100-105.

注释：

1.杨深（2002—）郑州电力高等专科学校发电厂及电力系统专业2020级学生。

2.康心情（2002—）郑州电力高等专科学校电力系统自动化技术专业2020级学生。

3.刘李贤（2002—）郑州电力高等专科学校发电厂及电力系统专业2020级学生。

4.王开申（2002—）郑州电力高等专科学校发电厂及电力系统专业2020级学生。

5.焦国志（2001—）郑州电力高等专科学校发电厂及电力系统专业2020级学生。

6.盛约霖（2003—）郑州电力高等专科学校电力系统自动化技术专业2021级学生。