物联网LoRa系列-32：LoRaWAN无线智能水表如何进行水量数据采集？脉冲采集、双干簧管、磁性元件、光电转换、霍尔元件

目录

1. 无线远传智能水表概述

2. 常用智能水表的发展与类型

3. 智能水表数据的采集的基本原理

3.1 光电转换型原理

3.2 双干簧管数据采集的基本原理

3.3 霍尔元件型原理

4. 干簧管脉冲检测的基本原理

4.1 干簧管概述：干簧管是一种电磁开关传感器。

4.2 干簧管(磁簧开关)原理：可磁化和退磁的簧片

4.3 干簧管的应用

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1. 无线远传智能水表概述

无线远传水表是用于计量流经管道水的体积总量的仪表。

除具有普通水表的功能外，同时还具有（2）无线通讯功能，和（3）无线采集设备组成无线抄表网络，实现远程抄表。

水表内集成有微功率、多通道嵌入式无线数传模块，可通过空间的无线信道实现数据的传送。无线远传水表能够和无线采集器、路由器、集中器、抄表软件组成无线远传抄表系统，从而实现水表远程控制开关阀、远程抄表、欠费提醒等功能。

此种抄表方式与其他一些有线方式相比最为节约成本、操作简单、占用空间小、维护方便。无线远传水表计量并存储用户的用水量，检测水表电池状态、仪表运行状态等信息，每天定时向上级设备发送用水量等数据，通过管理软件可以抄收水表累计水量、电池电压、工作状态等数据。

正因为无线远传水表的这么多的功能，才能使它会不断占据水表市场，最终会取代其他的产品，成为市场发展的主流。

LoRa的智能终端已经在各行业得到了广泛的应用，采用LoRaWAN无线技术的无线远传水表目前比较实用的一种主流技术。

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2. 常用智能水表的发展与类型

说起水表，大家都不陌生，几乎每个家庭都有一款水表，用来计量该用户的用水量。但是却很少有人关注它的发展，而且，除了专业人士，也几乎没有人了解水表到底是怎样计量用水量的。

现在随着人们生活水平的提高，水表的技术也在不断进步，近几年来，水表由以前的机械式水表逐渐发展成为IC卡水表，光电直读水表，无线远传水表等等。

到现在的先进的无线远传水表。

从嵌入是系统应用来看，智能抄表涉及3个重要的环节：（1）如何采集水量数据；（2）如何远程传输数据；（3）无线网络架构

关于第3个环节：无线无线远传水表的网络架构和无线数据传输，请参考看文章：《物联网LoRa系列-31：通过LoRa终端实现远程抄表的原理与系统框架(水、电、气、热等通用)》 CSDN

关于第2个环节，通常采用GRPS, 4G, NB, LoRa等物联网无线接入技术，在本系列的前面已经经过的大量的阐述。

本文的重点在第一个环节：LoRa智能终端如何采集水量数据？

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3. 智能水表数据的采集基本原理

智能水表采集水表数据的基本原理是：采用脉冲计数，水表转一圈，获得一次脉冲，计数一次。。

脉冲水表是一种基于脉冲计数原理的智能水表，该类型水表必须一直供电，通常以采集脉冲个数进行计量。

按照不同的工作原理，一般脉冲水表可分为“单、双干簧管表”、“霍尔元件表”、“光电转换表”等几种类型。

3.1 光电转换型原理

一流的脉冲水表一般由光电发射、接收器和反光镜组成，当安装在转盘上的反光镜通过发射器时，红外光由反光镜反射到接收器，转盘每转一圈，在接收端产生一个计量脉冲。这种类型的脉冲水表不仅在很多时候根本不需要电源，而且解析代码不会有差错，更不需要记忆

3.2 双干簧管数据采集的基本原理

智能网络水表的工作原理是在普通转盘技术的水表中，添加双干簧管和磁性元件这里两个关键元件。

双干簧管固定安装在计数转盘上方附近。

磁性元件安装在计数盘上，

当转盘每转一圈，磁性元件产生的磁场经过双干簧管各一次，在信号端产生两个计量脉冲。

如下是双干簧管检测电路的示意图：

当双干簧接收到有效的计量脉冲时，把微处理器从休眠模式唤醒，微处理器进入正常工作模式，然后微处理器通过脉冲检测电路检测脉冲，对脉冲进行计量，并根据特定的算法转换成一次水量信息。

3.3 霍尔元件型原理

在转盘计数的脉冲水表内加装霍尔元件和磁性元件，构成基于磁电转换的传感器，霍尔元件固定在计数转盘附近，磁性元件安装在计数盘上，当转盘每转一圈，磁性元件经过霍尔元件一次，对应一次电位差，即在接收端产生一个计量脉冲。

4.  数据采集后的后期处理

对采集到的一次性水量脉冲信息，需进一步的加工处理（加工处理的算法是核心）：

（1）水量的统计：把脉冲信息，转换成水量信息。

（2）历史数据累计：

（3）本地化显示（如果有本地显示屏的话）

（4）上报周期选择：在水快速流动的过程中，实际上脉冲的频率还是比较高的，因此不太可能每收到一个脉冲，就上报一次水量，需结合周期上报或累计上报等算法。

（5）数据上报：通过LoRa协议，把数据发送给LoRa网关，在通过LoRa网关，转发给LoRa服务器。

（6）低功耗处理：LoRa智能终端采用的是电池供电，数据采集、数据处理、数据上报都需要考虑低功耗问题。

5. 干簧管脉冲检测的基本原理

5.1 干簧管概述：干簧管是一种电磁开关传感器。

所谓的开关：就是使电路开通或者使之断路，所以除了之前用过的机械式switch，继电器，电晶体等等，还有一种叫做干簧管，也称之为磁簧开关(Magnetic Reed Switch)。

干簧管（磁簧开关）是一个通过所施加的磁场操作的电开关。它于1936年由贝尔电话实验室的沃尔特.埃尔伍德（Walter B. Ellwood）发明，他本人于1940年6月27日在美国申请专利，专利号为2264746。 

基本功能：是将两片磁簧片密封在玻璃管内，两片虽重叠，但中间间隔有一小空隙。（1）没有磁场的时候，簧片是断开的。（2）当外来磁场时将使两片磁簧片接触，进而导通。 一旦磁体被拉到远离开关，磁簧开关将返回到其原来的位置。

由于干簧管的簧片都是密封在玻璃管内，所以簧片不会受到大气侵蚀.相对于传统的电子开关,干簧管的独特的密闭封口结构使干簧管避免开关吸合时放电现象。

干簧管的一个重要特性就是灵敏度，灵敏度决定需要多大的磁场可以驱动工作。灵敏度是用AT值来衡量的. AT值是线圈的匝数和线圈电流的乘积。商业级干簧管的典型的吸合值范围是10到60 AT.AT值越小，干簧管的灵敏度越好。同理,拥有越小的干簧管,对磁场越灵敏。

5.2 干簧管(磁簧开关)原理：可磁化和退磁的簧片

干簧管的工作原理非常简单，两片端点处重迭的可磁化的簧片(通常由铁和镍这两种金属所组成的)密封于一玻璃管中，两簧片呈交迭状且间隔有一小段空隙(仅约几个微米)，这两片簧片上的触点上镀有层很硬的金属，通常都是铑和钌，这层硬金属大大提升了切换次数及产品寿命。玻璃管中装填有高纯度的惰性气体(如氮气)，部份干簧开关为了提升其高压性能，更会把内部做成真空状态。

干簧片的作用相当与一个磁通导体。

在尚未操作时，两片簧片并未接触；

在通过永久磁铁或电磁线圈产生的磁场时，外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性, 当磁力超过簧片本身的弹力时，这两片簧片会吸合导通电路；

当磁场减弱或消失后,干簧片由于本身的弹性而释放，触面就会分开从而打开电路。

以上描述的是Form A (常开 (N.O.)或单刀单掷 (SPST) 干簧开关。

Form B 是代表一个常闭开关，

Form C (单向双掷(SPDT))是代表一个开关带有一个共用簧片，一个常开片和一个常闭片(见下图)。

Form C (单刀双掷 (SPDT) 三个簧片的磁簧开关的基本结构。

可切换的簧片，在没有磁场时是与常闭片接触，当足够强度的磁场产生时,该簧片会移向常开片，而常开片与常闭片都是固定不动的。

这两固定片与可摆动切换的簧片均为铁磁片，只是常闭的干簧片触点表面部份是由非磁性的金属熔焊于干簧片上的。

置于磁场下时，两旁位于常开与常闭的固定片具相同极性，且和可摆动簧片极性相反，常闭端的非磁性金属会隔离磁通，因此当常开端与可摆动簧片之间的磁力够大时, 摆动簧片将与常开片接触闭合。

通常有两种方式可以令干簧管（磁簧开关）的干簧片吸合：

(1)  使用永久性磁铁

干簧开关在永久磁铁产生的磁场下之基本操作情况，两簧片呈相反极性而在两簧片间产生足够的吸力而互相接触

(2) 外加线圈

将磁簧开关放置在线圈中心轴位置，磁场在这部份是最强的两干簧片呈相反极性，在两簧片间产生足够的吸力而互相接触。

如上图所示，当有一个永久磁铁接近磁簧开关时，此两片簧片会被磁化成可相互吸引的不同极性，当磁场够大时，可让两簧片间产生足够的吸引力而互相接触。

干簧片都是经过回火处理的，以便消除剩磁，所以当磁场退去后，在干簧片上的磁场随即消失。

如果有任何残留的磁力存在于干簧片上，干簧开关的特性就会改变，在制造过程中，适当的制程和退 火处理是非常重要的。

根据干簧管的特性，磁簧开关可做成非常小尺寸体积的切换组件，并且切换速度非常快速、且具有非常优异的信赖性。

永久磁铁的方位和方向确定何时以及多少次开关打开和关闭。

5.3 干簧管的应用

干簧管在家电、汽车、通讯、工业、医疗、安防等领域得到了广泛的应用。除此之外，还可应用于其它在传感器及电子器件，如液位计、门磁、干簧继电器等。

我们在此简单介绍四类产品及行业应用，以便大家更深入地了解：干簧管可用于簧片继电器、油位传感器和接近传感器（磁性传感器）。

（1）干簧继电器

干簧管可应用于干簧继电器。一个线圈内的一个或多个磁簧开关磁簧继电器。 干簧继电器工作电流时使用的是比较低的，并提供高运行速度，良好的性能，这是不可靠的切换由传统的接触，高可靠性和长寿命的非常小的电流。 在20世纪70年代和80年代，以百万计的干簧继电器，用于在电话交流 。 尤其是，它们被用来TXE在英国家庭的电话交流切换。 簧片触点周围的惰性气氛中确保氧化将不会影响的接触电阻。 有时使用水银湿簧继电器，尤其是在高速计数电路。

（2）油位传感器

干簧管目前是各种车用油箱油位传感器的极好替代品，目前现有的技术中，油（液）位传感器共分两类：一类是用滑动电位器为基本检测元件，它是由浮子带动电位器，再用欧姆表检测其阻值，从而达到显示油位的目的，但当油垢覆盖电位器后，其阻值会发生变化，造成误差太大，甚至不能使用，此类油箱传感器成为寿命很短的易损件。

另一类是用电感线圈为基本检测元件。它是用浮子带动电感线圈，改变震当电路的震荡频率，再通过频率计检测其频率来测定油（液）位。但其结构复杂，调试麻烦，成本高，价格贵，不能被广泛使用。所以，利用干簧管寿命长、动作安全可靠、无火花等特性生产的液位传感器,是现用各种车用油箱油位传感器的极好替代品。

（3）磁性传感器

干簧管除了应用于干簧继电器和传感器外，干簧管（磁簧开关）被广泛用于电路控制，尤其是在通信领域。磁簧开关磁铁驱动中常用的机械系统， 接近传感器 。 例子是门和窗传感器在防盗报警系统和防篡改方法。

笔记本电脑使用磁簧开关，把笔记本电脑的睡眠/休眠模式，当盖子被关闭。 自行车车轮和汽车齿轮的转速传感器使用磁簧开关，简单驱动每个车轮上的磁铁时通过传感器。 以前用于磁簧开关在计算机终端，其中每个键有一个磁铁，通过按压键致动的簧片开关的键盘;正在使用更便宜的开关。 电气和电子踏板键盘所使用的管风琴 ， 电子琴玩家经常使用磁簧开关，接触的玻璃外壳，保护其不受污垢，灰尘，和其他微粒。 它们也可能被用于控制潜水设备如手电筒或相机，它必须被密封，以保持加压水。

干簧管也能用于如电脑散热风扇和磁盘驱动器。 由于便宜的霍尔效应传感器面世，他们更换簧片开关，并给予较长的使用寿命。最近一个时期，固态霍尔效应传感器已取代磁簧开关。

（4）干簧管在高危环境的应用

干簧管可以为高真空式或惰性气体填充式，干簧管将控制电路通断时触点产生的火花封闭在管身内，使其完全与爆炸性气体和煤尘隔绝，达到防止爆炸、提高安全系数的目的。
干簧管的玻璃管内装有两根强磁性簧片，将此置于管内一端使之以一定间隙彼此相对。玻璃管内封入惰性气体，同时触点部位镀铑或铱，以防止触点的活性化。干簧管利用线圈或永磁体，为簧片诱导出N极和S极，后因这种磁性的吸引力而开始吸合。
当解除磁场时，由于簧片所具有的弹性，触点即刻恢复原状并打开电路。隔爆型干簧管按钮和开关适用于含有爆炸性气体和煤尘的矿井，以及含有爆炸性气体的工厂、船舶等危险场所，用做本质安全型控制电路和非本质安全型控制电路的控制之用。

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其他参考：

智能水表的数据采集毕业设计: 智能水表的数据采集毕业设计 - 百度文库

普通水表的结构与工作原理：水表结构与工作原理 - 百度文库

双干簧管的工作原理-1：什么是干簧管（一）|什么是磁簧开关|干簧管原理视频|干簧管工作原理-产品知识-资讯-深圳华壬电子

双干簧管的工作原理-2：什么是干簧管（二）|什么是磁簧开关|干簧管工作特性-产品知识-资讯-深圳华壬电子