一种自供电终端交互燃气热水器控制器技术领域
本发明涉及燃气热水器控制器领域，尤其涉及一种自供电终端交互燃气热水器控制器。
背景技术
智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。
智能家居作为一个新生产业，处于一个导入期与成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明，2015年随着合作企业已普遍进入到出成果时刻，智能家居新品将会层出不穷，智能家居将是今后家居领域发展的必然趋势。
制造企业在产业调整和转型中，都需要运用到大数据。今后，数据将成为推进社会进步的第四生产力，市场潜力巨大，同时，智能家居所依托的大数据分析，也是传统制造企业转型升级的重要途径。
而作为日常家电中的热水器，也越来越受到人们的关注，由于我国的实际情况和使用习惯，燃气热水器仍是众多消费者的首选。燃气热水器如何成为智能家居中的一部分？如何实现对燃气热水器的无线遥控，从而使家居生活更加高效便利？如何通过燃气热水器采取到用户用水信息，从而形成大数据？这些都将成为了各大燃气热水器厂家的关注重点。
针对这一现象，申请号为201220220741.7的一种物联网用燃气热水器，通过水温检测模块和燃气检测模块进行水温和气压的检测，通过无线收发模块和网络接口实现无线信息传输，两者配合权利，实现了利用现有的移动设备和PC机进行远距离控制燃气热水器的目的，然而该发明缺少了对用户用水信息的采集，个人用户由于无法在移动终端上看到自己的用水信息而只能进行“盲目”的控制，企业也因得不到用户用水信息而无法形成大数据。
因此，有必要设计一种能进行无线遥控、能采集用户用水信息、同时能进行交互式信息处理的燃气热水器控制器。
发明内容
本发明为解决上述问题提供一种自供电终端交互燃气热水器控制器，通过水力发电装置将水流能量转换为电能，并储存在充电电池上，实现了自供电和能量保存的技术效果；通过微控制器来分析水流流速信息，通过温度传感器来得出热水始端和热水终端的温度信息，通过无线通信模块的无线传输，实现了与热水器信息交互式处理的技术效果，并将监测到的信息显示在用户的服务器端上，使得用户能根据当前的燃气热水器状态进行智能化控制，同时服务器端上的数据保存在网络上，形成大数据，供企业研究使用，整体设计实用便利，符合智能家居的未来发展趋势。
为实现上述目的，达到上述效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种自供电终端交互燃气热水器控制器，包括设置在燃气热水器内的主控制器和在水管道上设置有一个以上的交互式终端，所述的主控制器、交互式终端分别包括有无线通信模块、控制面板、水力发电装置和充电电池，所述的主控制器包括第一微控制器，所述的交互式终端包括有智能控制器，所述的智能控制器包括第二微控制器和温度采集电路，所述的温度采集电路包括温度传感器，所述的智能控制器通过导线与充电电池、水力发电装置连接，所述的水力发电装置能将水流能量转换为电能，储存在充电电池内，供用电电路使用，所述的第一微控制器、第二微控制器根据接收到的电信号得出水流流速信息，根据温度采集电路得到水流温度信息，并控制无线通信模块将信息实时发送到主控制器，由主控制器进行信息处理，所述的主控制器与交互式终端进行信息交互式处理，所述的无线通信模块为WIFI模块或ZigBee模块或NRF模块或Bluetooth模块。
进一步的，所述的主控制器包括警报器和设置在燃气热水器的温度传感器，所述的主控制器通过无线通信模块与服务器端进行信息交互式处理，并将信息反应在控制面板上。
进一步的，所述的水力发电装置包括外壳、微型发电机、固定转轴、水轮机与管道接口，所述的微型发电机通过固定转轴与水轮机连接，所述的微型发电机包括转子、定子，所述的定子固定在外壳上，所述的管道接口包括进水口与出水口，所述的进水口、出水口与水管道连接。
进一步的，所述的第一微控制器、第二微控制器根据接收到的电信号得出水流流速信息的工作原理为：所述的水管道内的水流推动水轮机旋转，通过固定转轴带动转子旋转，与定子切割磁力线，产生交流电，交流电的频率与水流流速成正比关系，第一微控制器、第二微控制器根据接收到的电信号得出交流电频率，从而得到水流流速。
进一步的，所述的智能控制器、主控制器分别包括有电能收集电路、电池管理电路，所述的水力发电装置经整流电路后与电能收集电路连接，所述的电能收集电路与电池管理电路连接，所述的充电电池与电池管理电路连接。
进一步的，所述的智能控制器或主控制器分别包括有信号整形电路，所述的信号整形电路经整流电路与水力发电装置连接，所述水力发电装置的产生的交流电波形经整流电路后变成脉动直流电波形，经信号整形电路后变成矩形波波形，所述的第一微控制器、第二微控制器接收到电信号的波形为矩形波，所述的矩形波周期与交流电周期一致或成正比关系。
进一步的，所述的智能控制器上连接有指示灯，所述的指示灯与第二微控制器连接，起到电满指示以及过电消耗电能的作用。
进一步的，所述的充电电池可替换为超级电容，所述的水力发电装置经整流电路后与超级电容连接。
进一步的，所述的控制面板包括显示装置和按键装置，所述的显示装置为数码管显示或液晶屏显示，所述的警报器为蜂鸣器或喇叭。
进一步的，所述的交互式终端设置在与燃气热水器连接的花洒或水龙头上。
本发明的有益效果是：
1、与当前的燃气热水器控制器相比较，通过微控制器来分析水流流速信息，通过温度传感器来得出水管道内的水温信息，通过无线通信模块将信息传输到服务器端，用户在服务器端上可以了解到自己的用水信息和用水习惯等信息，便于用户更加直观、更加合理的进行无线控制；企业可以根据服务器端接收到的数据，分析得到用户用水量、用水习惯、水温爱好等信息，形成大数据，供企业研究使用；整体上使人们在使用燃气热水器时更加智能便捷，安全可靠；同时将交互式终端放置在人们使用热水的地方，使人们在使用热水的时候也能够随时调节水温，比如将交互式终端设置在淋浴用的花洒上，从而使人们在洗澡过程中能随时调节适合自己的水温，整体设计更加人性化；水力发电装置与交互式终端均与水管道连接，不易丢失；本发明在用水终端可接收并显示出热水器的当前状态信息，实现热水器信息的交互式处理，具有灵活、直观、便于控制的优点；
2、本发明通过水力发电装置将水流能量转换为电能，实现了自供电技术效果，相较于常见的电池供电或外部电源供电来说，更加绿色环保，经济实用；采用充电电池将多余的电能储存起来，是进一步将能量进行合理化分配，以便在停电或无水流的情况下依然能保持监测状态；
3、本发明通过将交流电波形转化为矩形波波形，通过微控制器对矩形波波形的处理得出水流流速信息，从而起到了监控水管道内水流信息的技术效果，在保证能得到有效水流信息的同时，省去了传统的水流监控模块，使结构更加简单，成本更加低廉，体积更小；
4、本发明在监测用户用水信息的同时，通过对水流流速等数据的分析，形成燃气热水器漏水检测，给燃气热水器用户的人身安全和财产安全提供了保证；燃气热水器与用水终端距离较远，管道内的热能消耗较大，故而在用水终端的水流温度比燃气热水器内来说更加准确，用户通过用水终端的水流温度来进行更加直观、更加合理的水温调节控制；同时燃气热水器内与用水终端的温度差反应了热水在管道内流通所造成的热能损耗，同样可以提供给相关企业进行研究分析；主控制器可以根据该信息算出所需加热的功率等信息，以提高加热效率，降低能源消耗；
5、燃气热水器在多个出水口的水管道上均设置有交互式终端，用户可以查看每个出水口的用水量，从而进行有针对性的节约用水；
综上，本发明是一种能进行无线智能控制、能采集用户用水信息，同时能进行信息交互式处理的燃气热水器控制器。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明，本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明涉及的主控制器的框架示意图；
图2为本发明涉及的交互式终端的框架示意图；
图3为本发明涉及的一种自供电终端交互燃气热水器控制器装配到燃气热水器上的示意图；
图4为本发明涉及的主控制器的结构示意图；
图5为本发明涉及的智能控制器的结构示意图；
图6为本发明涉及的水力发电装置的结构示意图；
图7为本发明涉及的无线通信模块与服务器端连接的电路示意图；
图8为本发明涉及的第一微控制器或第二微控制器采集水流信息的电路示意图；
图9为本发明涉及的水力发电装置自供电的电路示意图；
图10为本发明涉及的温度采集电路的一种实施例；
图11为本发明涉及的警报器的一种实施例；
图12为本发明涉及的交流电波形经整流电路、信号整形电路后的波形变化示意图；
图13为与本发明配合使用的服务器端根据水流流速所进行漏水检测的流程示意图；
图14为本发明涉及的水力发电装置的可选实施例示意图。
图2-图6、图14中，燃气热水器1、水管道2、主控制器3、无线通信模块31、控制面板32、显示装置321、按键装置322、警报器33、温度传感器34、第一微控制器35、交互式终端4、水力发电装置41、外壳411、微型发电机412、转子4121、定子4122、固定转轴413、水轮机414、管道接口415、进水口4151、出水口4152、空腔416、智能控制器42、充电电池43、第二微控制器421、指示灯422、服务器端5。
图8-图11中，D1为整流桥，VT1、VT2为NPN型的三极管，R1-R5为电阻，MCU为微控制器，VCC为工作电压，C1为电容，A/D1为控制器机的A/D接口，I/O1为控制器的I/O接口，BH为温度传感器，BUZ为蜂鸣器。
图13中，Vt为实时水流流速、V0为漏水预警流速值、St为实时水流体积、S0为漏水预警体积值。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明：
如图1-图14所示，一种自供电终端交互燃气热水器控制器，包括设置在燃气热水器1内的主控制器3和在水管道2上设置有一个以上的交互式终端4，所述的主控制器3、交互式终端4分别包括有无线通信模块31、控制面板32、水力发电装置41和充电电池43，所述的主控制器3包括第一微控制器35，所述的交互式终端4包括有智能控制器42，所述的智能控制器42包括第二微控制器421和温度采集电路，所述的温度采集电路包括温度传感器34，所述的智能控制器42通过导线与充电电池43、水力发电装置41连接，所述的水力发电装置41能将水流能量转换为电能，储存在充电电池43内，供用电电路使用，所述的第一微控制器35、第二微控制器421根据接收到的电信号得出水流流速信息，根据温度采集电路313得到水流温度信息，并控制无线通信模块31将信息实时发送到主控制器3，由主控制器3进行信息处理，所述的主控制器3与交互式终端4进行信息交互式处理，所述的无线通信模块31为WIFI模块或ZigBee模块或NRF模块或Bluetooth模块。
进一步的，所述的主控制器3包括警报器33和设置在燃气热水器1的温度传感器34，所述的主控制器3通过无线通信模块31与服务器端5进行信息交互式处理，并将信息反应在控制面板32上。
进一步的，所述的水力发电装置41包括外壳411、微型发电机412、固定转轴413、水轮机414与管道接口415，所述的微型发电机412通过固定转轴413与水轮机414连接，所述的微型发电机412包括转子4121、定子4122，所述的定子4122固定在外壳411上，所述的管道接口415包括进水口4151与出水口4152，所述的进水口4151、出水口4152与水管道2连接。
进一步的，所述的第一微控制器35、第二微控制器421根据接收到的电信号得出水流流速信息的工作原理为：所述的水管道2内的水流推动水轮机414旋转，通过固定转轴413带动转子4121旋转，与定子4122切割磁力线，产生交流电，交流电的频率与水流流速成正比关系，第一微控制器35、第二微控制器421根据接收到的电信号得出交流电频率，从而得到水流流速。
进一步的，所述的智能控制器42、主控制器3分别包括有电能收集电路、电池管理电路，所述的水力发电装置41经整流电路后与电能收集电路连接，所述的电能收集电路与电池管理电路连接，所述的充电电池43与电池管理电路连接。
进一步的，所述的智能控制器42或主控制器3分别包括有信号整形电路，所述的信号整形电路经整流电路与水力发电装置41连接，所述水力发电装置41的产生的交流电波形经整流电路后变成脉动直流电波形，经信号整形电路后变成矩形波波形，所述的第一微控制器35、第二微控制器421接收到电信号的波形为矩形波，所述的矩形波周期与交流电周期一致或成正比关系。
进一步的，所述的智能控制器42上连接有指示灯422，所述的指示灯422与第二微控制器421连接，起到电满指示以及过电消耗电能的作用。
进一步的，所述的充电电池43可替换为超级电容，所述的水力发电装置41经整流电路后与超级电容连接。
进一步的，所述的控制面板32包括显示装置321和按键装置322，所述的显示装置321为数码管显示或液晶屏显示，所述的警报器33为蜂鸣器或喇叭。
进一步的，所述的交互式终端4设置在与燃气热水器1连接的花洒6或水龙头上。
具体实施例
根据图1-图7所示，本发明的一种自供电终端交互燃气热水器控制器与燃气热水器1配合连接，主控制器3放置在燃气热水器1内，控制面板32分别设置在燃气热水器1的表面、花洒上，交互式终端4在靠近花洒的水管道2上设置有一个，水力发电装置41通过进水口4151、出水口4152与水管道2连接，通过温度传感器34与水管道2内的水流相接触，配合相对应的服务器端5及App应用程序进行使用，其与燃气热水器1、水管道2、服务器端5、花洒6组合起来使用的工作过程如下：
1）、自供电：水管道2内的水流推动水轮机414旋转，通过固定转轴413带动转子4121旋转，与定子4122切割磁力线，产生交流电；
2）、储电：交流电经整流电路后传输到电能收集电路、电池管理电路，最后传输到充电电池43中完成电能量保存；
3）、采集水流信息：交流电经整流电路后同时传输到信号整形电路，然后由第一微控制器35、第二微控制器421根据接收到的电信号得出水流流速信息；温度传感器34分别采集水管道2始端、水管道2终端内的水流温度信息，并将水流温度信息送至第一微控制器35或第二微控制器421；
4）、无线传输：主控制器3、交互式终端4、服务器端5上都具备有无线通信模块31，可实现无线传输；
5）、交互式处理：主控制器3、交互式终端4、服务器端5均可输入控制指令并显示处理结果，以用户在交互式终端4输入控制指令为例，由第二微控制器421对控制指令进行信息处理，并将信息无线传输至第一微控制器35内作进一步的处理，从而根据控制指令控制燃气热水器完成相应的操作，并将处理结果显示在交互式终端4上，用户就可以根据处理结果进一步输入信息和操作命令；
6）、大数据：使用终端上测得单位时间内的流速，可以算出用户用水量，并对该使用终端的用水量进行统计，可以得到该使用终端的月用水量、年用水量等信息；通过统计每天固定时间点的用水量，可以得到用户用水高峰期、洗澡用水量等用水习惯；再加上用水温度的数据统计，整合每家每户的用水信息，从而形成一个大数据库；
7）、漏水预警：服务器端5根据接收到的水流流速信息与漏水预警值相比较，从而在超出漏水预警值的范围后进行预警提醒；
8）、指示灯亮：当充电电池43的电量充满，通过电池管理电路，将电满信号传输到第二微控制器421，由第二微控制器421控制指示灯422亮，同时指示灯422起到消耗电能的作用，避免充电电池43在过电的状况下还持续充电所造成的损伤；
9）、管道内热能损耗：热能损耗量与温度差成比例关系，热水终端和热水始端各测得温度，形成了温度差，针对单位时间内的温度差进行积分即可算出管道内热能损耗；
10）、预警提醒：服务器端5、第一微控制器35、第二微控制器421发出预警提醒信号，服务器端5、第二微控制器421先通过无线通信模块31发送到主控制器3，由主控制器3上的第一微控制器35发出控制信号使警报器33发出预警提醒。
如图1和2所示的框架图中，交互式终端4与主控制器3具有同样的无线通信模块31，通过无线通信模块31完成交互式终端4与主控制器3的无线信息传输。
根据图1-图7所示，在与燃气热水器1、水管道2、服务器端5、花洒6、App应用程序组合起来后，用户的使用如下：以用户洗澡为例，用户通过在服务器端5上的App应用程序输入设定水温，燃气热水器1开始加热，并将燃气热水器1内和水管道2内的温度显示在App应用程序上，用户可以根据自己的情况，在达到某个温度值时就进行洗澡前准备，在达到用户设定水温后自动停止加热，避免用户来回确认水温信息的麻烦；用户开始洗澡，打开用水开关，水从花洒6上流出，交互式终端4上的控制面板32显示当前的实际水温，待实际水温上升至合适水温后，用户再开始洗澡，避免用户在洗澡前要用手去试水温的麻烦；在洗澡的过程中，用户可以根据当前实际情况，通过控制面板32，随时进行水温调节等操作，并从控制面板32上得知处理结果，以便作进一步的操作。
根据图8-图9所示，本发明实施例采用的整流电路为整流桥D1，信号整形电路由限流电阻R1，上拉电阻R2，三极管VT1组成。
图10为本发明涉及的温度采集电路的一种实施例；通过串联电阻R4，降低温度传感器BH上的电流，保护温度传感器BH的正常工作，通过电容C1和电阻R3进行滤波，得到的模拟温度信号通过A/D1传输到微控制器MCU内部的A/D模块转换为数字信号，提供给程序进行处理分析。
图11为警报器33的一种实施例，本发明采用蜂鸣器BUZ来作为警报器33，使用I/O1口定时翻转电平驱动蜂鸣器BUZ，在与I/O1连接的中间增加一个三极管VT2驱动，以增加驱动能力使蜂鸣器BUZ响声更大，I/O1上连接有限流电阻R5，起到保护隔离措施。
图12为本发明实施例在采用图8的电路后的波形示意图，水力发电装置41发出的交流电，波形如图A所示；经整流桥D1后，由电压极性为上正下负的交流电压转变为一个单方向的脉动电压，波形如图B所示，其原理是利用了二极管的单向导通，由四个二极管组成的整流桥D1又称为桥式整流电路，可得到全波整流电压；单方向的脉动电压经三极管VT1构成的信号整形电路，变成了矩形波，波形如图C所示，微控制器MCU上的I/O口接到三极管VT1的集电极上，当三极管VT1接收到的电压未达到导通电压，三极管VT1处于截止状态，集电极上电压为VCC，当三极管VT1接收到的电压达到导通电压后，三极管VT1导通，集电极上电压接近地，从而形成矩形波波形，对于单片机来说，处理矩形波波形相对比较简单，而且该信号整形电路的优点在于其周期频率不会发生变化，从而使矩形波周期与交流电周期一致。
根据1-图12可知，水流流速与水轮机414的转动周期成一定的正比关系，水轮机414与微型发电机412通过固定转轴413连接，则微型发电机412产生的交流电周期与水流流速呈正比关系，而交流电经信号整形电路后的矩形波周期与交流电的周期一样，所以微控制器MCU在接收到矩形波后，根据矩形波的周期可以得到交流电的周期，从而得出水流流速。
根据图13所示，本发明配合使用的服务器端根据水流流速所进行漏水检测的流程如下：
1、实时水流流速Vt与漏水预警流速值V0相比较，若Vt小于V0，则发出漏水预警，这是为了监测漏水量较少的情况，如水龙头未拧紧或水管滴水的现象，由于有水流动，但又处于滴水状态，所以其水流流速很低，且在一般情况下，人们在使用水的过程中，不会出现如此低的水流流速，则判断为持续少量漏水的现象
2、实时水流体积St与漏水预警体积值S0相比较，若St大于S0，则发出漏水预警，这是为了监测漏水量较多的情况，如水龙头一直开着忘记关或水管断裂的现象，此时，水流流速均匀且快，在未发觉的情况下一直处于漏水状态，则经过一定的时间后，所流过的水体积大于人们的日常使用的量，则判定为存在大量持续漏水的现象。
水流体积S是由得到的水流流速V乘以管道的断面面积A得到的流量Q=VA，通过对该段时间内的流量Q进行时间T的积分，即可得到水流体积S。
图14为本发明涉及的水力发电装置41的可选实施例；将水力发电装置41与水管道2连接，在微型发电机412与外壳411之间设置有空腔416，使水流可以顺着空腔416流动。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。