Arrow-Pointer Sensor Design

for Low-Cost Water Meter

Shih-Chang Hsia, Member, IEEE, Ming-Hwa Sheu, Member, IEEE, and Yu-Jui Chang

Abstract—The arrow-pointer meter is currently widely used. In this paper, we present a low-cost arrow sensor for reading water meter. To be compatible with the currently used arrow meter, this system involves embedding an electrical circuit into the body of a conventional mechanical water meter. The electrical structure includes signal generator, signal sensors, signal detection circuit, digital encoder, and remote controller, to sense the position of an arrow pointer. Based on capacitive signaltransfer theory, the best frequency is analyzed with transfer functions, to find the highest sensitivity between the sensing pad and the detection circuit. For a real implementation, one fieldprogrammable gate array chip is mounted on water meter with printed circuit board layout. The measurements show that the proposed sensor enables average detection accuracy exceeding 95%. The power dissipation can be reduced about 144 times compared with the current electrical water meter. Index Terms—Arrow sensors, smart utility metering, water meter, water-monitoring system.

Fig. 1. Water meter used in Taiwan.

I. INTRODUCTION THE CONVENTIONAL water meter employed a mechanism structure in which the water flow drives gears that move an arrow pointer on a scale panel. Figure 1 shows a typical water meter used in Taiwan that includes four coarse numbers and four fine arrow scales. When the water flow is recorded using the simple mechanical structure, the meter does not require electrical power. However, recording the flow of water using a mechanical device requires that values be recorded manually. Recently, the electronic

water meter is presented to record digital data using electrical counters. The electronic meter can monitor the current metering value remotely [1]–[5]. Unfortunately, such meters draw power constantly, thereby wasting electricity. In addition, avoiding temporal power interruptions requires that batteries be embedded in the body of the meter. Electrical meters are incompatible with many existing water systems, which has prevented more widespread adoption.

TABLE I

COMPARISONS WITH VARIOUS TYPES OF WATER-METERS

Table I lists the comparisons of various types of watermeters. The conventional gear water meter is a simple and low cost method to record the amount of water used, but cannot be monitoring remotely. Although electrical water meters have some advanced applications, the main problem is energy waste and installation difficult.

This paper proposes a hybrid electrical/mechanical metering system designed for low cost implementation and reducedpower consumption. Our motive is to embed the electrical circuit to the mechanical water meter for an arrow point sensing. The size and function of the device is compatible with the existing water meters, thereby facilitating easy installation on the current water pipeline. The proposed device works like a conventional gear meter; however, power is supplied to the electrical circuit of the meter only when the remote server sends a request for a metered value, after which power is automatically suspended. Hence the power dissipation is very slight. Compared with the current electrical meter, this method can save more power dissipation and is easy to install to the current water pipeline. Also, this kind of meter can keep a simple and low-cost like a conventionalgear meter. The rest of this paper is organized as follows. The arrow sensor for water meter is proposed in Section II. Section III demonstrates the experimental results. Conclusions are outlined in Section IV.

II. PROPOSED ARROW SENSOR FOR WATER METER The conventional method used an optical image recognition approach to identify the arrow position and to read the metering value [6], [7]. This method requires a camera and DSP processor. The implementation cost becomes high, which is not appreciated for the current metering system. The aim of this paper was to design a noncontact arrow-sensor to identify the location of arrow pointer on the scale panel of a water meter. To accomplish this, we embedded a small, inexpensive recognition system into the body of the water meter. Figure 2 shows the structure of proposed recognition system for an arrow meter. A signal generator (SG) outputs a square waveform at a given frequency through the arrow sensor to a detection circuit. When the signal arrives at sensing pads, the detection circuit senses which number on the meter is indicated. The detected result is then binary encoded and transmitted to a server by a wireless communication system.

A. Originality Design For arrow point sensing, one designs a sensing pad on the location of each digital number. A capacitor is generated between sensing pad and metal arrow. Based on capacitive signal transfertheory,thehigh-frequencysignalcan be through the metal arrow pointer to sensing pads. Figure 3 shows the physical structure of the arrow sensor with on PCB (Printed Circuit Broad). To detect the numbers 0 to 9, we added copper foil into a PCB underneath the position of each number to act as a sensing pad for the signal detection. To achieve

Fig. 3. Physical structure of arrow-meter sensor.

Fig. 4. Equivalent circuit of arrow sensor.

maximum sensitivity, the sensing pad was laid out in the form of an inverted triangle. Each sensing pad is connected to the detection circuit. The signal generator produced a square waveform through a metal axis to the metal arrow, where the arrow pointer was made of stainless steel. If the arrow pointer touched the sensing pad, the copper foil would eventually be worn away. Thus, a noncontact arrow sensor is proposed based on capacitive signal sensing [8]. The structure in Fig. 3 acts like a capacitor between the sensing pad and the metal arrow. In practical a

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用于低成本水表的

箭头指针传感器设计

Shih-Chang Hsia，IEEE成员，Ming-Hwa Sheu，IEEE成员和Yu-Jui Chang

摘要：

目前箭头指针表被广泛使用。在本文中，我们提出一个用于读取水表的低成本箭头传感器。为了与当前使用的箭头仪表相兼容，该系统包括将电路嵌入到常规机械水表主体中。电气结构包括信号发生器，信号传感器，信号检测电路，数字编码器和遥控器，以感测箭头指针的位置。基于电容信号传递理论，使用传递函数分析最佳频率，以发现感测垫和检测电路之间的最高灵敏度。事实上，是一个可编程门阵列芯片安装在具有印刷电路板布局的水表上。测量表明，所提出的传感器使得平均检测精度超过95％。与目前的电水表相比，功耗可以降低约144倍。

关键词：箭头传感器 智能公用计量 水表 水监控系统

1引言

水表采用的是一种机械结构，其中水流驱动齿轮，在刻度板上移动箭头指针。图1显示了一款使用的典型水表，包括四个粗数和四个箭头。当使用简单的机械结构记录水流时，仪表不需要电力。但是，使用机械装置记录水流需要手动记录数值。最近，提出了使用电子计数器记录数字数据的电子水表。电子仪表可以远程监控当前的计量值1—5。不足之处是，这种仪表不断地消耗功率，从而浪费了电力。除此之外，为了避免时间功率中断需要将电池嵌入仪表的主体中。电表与许多现有的水表系统不兼容，这阻碍了电子式水表的更广泛的采用。表1列出了各种类型的水表的比较。

表1 与各种类型的水表的比较

图1 典型水表

传统的齿轮水表是一种记录所使用水量的简单且低成本的方法，但不能远程监控。 虽然电水表有一些先进的应用，但主要的问题是能量浪费和安装困难。

本文提出了一种混合电气/机械计量系统，该系统旨在实现降低成本实施和降低功耗。我们的目的是将电路嵌入到机械水表中用于箭头点感测。该装置的尺寸和功能与现有的水表兼容，从而便于在当前的水管道上安装。尽管所提出的装置类似于传统的齿轮计；然而，仅当远程服务器发送对计量值的请求信号时，才需向仪表的电路提供电力，此后电力自动暂停。因此功耗非常小。与目前的电表相比，这种方法可以节省更多的功耗，并且易于安装到当前的水管道。此外，这种仪表可以像传统的仪表一样保持简单和低成本。本文的其余部分安排如下。第二节提介绍水表箭头传感器。第三节演示实验结果。第四节概述结论。

2用于水表的箭头传感器
传统的方法使用光学图像识别方法来识别箭头位置和读取计量值6到7。这种方法需要一个摄像头和DSP处理器。实施成本变高，这对于当前的计量系统是不能够实现的。本文的目的是设计一个非接触式箭头传感器来识别箭头指针在水表的刻度板上的位置。为了实现这一点，我们在水表的主体中嵌入了一个小而廉价的识别系统。

图2示出了用于箭头仪表的所提出的识别系统的结构。信号发生器（SG）通过箭头传感器以给定频率输出方波波形到检测电路。当信号到达感测垫时，检测电路感测指示仪上的是哪个数字。然后，检测到的结果被二进制编码并由无线通信系统发送到服务器。

图2用于箭头仪表的识别系统的结构

2.1原创性设计

对于箭头点感测，在每个数字的位置上设计感测垫。在感测垫和金属箭头之间产生电容器。基于电容信号传递理论，高频信号可以通过金属箭头指向感测垫。图3显示了带PCB的箭头传感器（Printed Circuit Broad）的物理结构。为了检测数字0到9，我们在每个数字位置下面的PCB中添加了铜箔，作为信号检测的感应垫。实现最大灵敏度，感测垫以倒三角形的形式布置。每个感测垫连接到检测电路。信号发生器产生了一个通过金属轴到金属箭头的方形波形，其中箭头指针由不锈钢制成。如果箭头指针触摸感应垫，铜箔最终会磨损。因此，提出了一种基于电容信号检测的非接触式箭头传感器8。图6中的结构。3作为感测垫和金属箭头之间的电容器。在实际应用中，水表中充满水，两个平行的金属片之间的水提供电容器的介质。

图3 箭头传感器的物理结构

图4显示出了箭头传感器的等效电路，使得能够确定输入和输出之间的传递函数，其由下式给出：

图4 箭头传感器等效电路

其中S =j2pi;f，f是频率。Cw是水电容器，Rw是感测垫和金属箭头之间的水电阻。 Cin和Rin分别表示检测电路的输入的电容器和电阻器。Cw和Rw可以像高通滤波器那样构造。并且Cin和Rin可以形成为低通滤波器。如果信号发生器的频率高，电容器Cin和Cw的阻抗将显着低于Rin和Rw.R in，并且在高频情况下可以忽略Rw，因此我们可以简化（1）为：

为了实现更高的灵敏度，需要大的电容器Cw。Cin根据检测电路的输入电容固定。 通常，电容C由下式确定：

其中ε是水介质的系数。A是感测焊盘的金属区域和箭头，D是感测焊盘的两个金属和箭头指针之间的距离。大值Cw需要大的金属区域，感测垫和金属箭头之间具有较短的距离。然而，如果频率太高，则所有信号将通过电容器Cin旁路到接地，防止检测到信号。因此，我们必须选择一个合适的频率用于信号检测与参数Cw和Cin。

当频率太低时，不能在电容器Cw上检测到信号。在特殊情况下，由于f = 0，从（1）我们有：

Rin是检测电路的输入阻抗，典型值超过1MOmega;.Rw是箭头和感测焊盘之间的水电阻，其值为几kOmega;。虽然信号可以通过电阻Rin和Rw的除法而到达检测电路，但是所有感测垫将以相同的电平读取RinRw，从而阻止识别箭头的位置。 因此，我们需要找到一个合适的频率，用传感函数检测传感信号。

2.3实施

为了实现系统识别水表上的箭头所指示的值，我们已经将电子电路嵌入到仪表的中间层。顶层是正常的面板规模，并且用户不能看到电子设备的主体。由于水流驱动仪表齿轮移动箭头指针，薄膜用于保护电子设备免受水，除了感测垫。电子电路主要包括一个FPGA芯片，如图5所示。

FPGA用于实现信号发生器，检测电路，数据编码器和串行端口传输数据。信号发生器能够产生各种频率以测试灵敏度。由于从电容性焊盘感测到信号，所以感测电平有些不稳定。为了避免错误，使用过采样技术来设计故障容限机器。图6示出了所提出的级感测架构。电容感测信号由并联的0至9个感测垫检测，并且结果被锁存到每个寄存器。然后使用数字信号处理来确定最终代码并对串行输出的数据进行编码。

图 7容错架构

图8过采样方法的时序表

图5 一个嵌入FPGA芯片的水表

图6建议的水平感测架构

图7显示了检测电路的容错架构。精细比例计有十个数字，范围从零到九;因此我们包括10个信号输入用于10个并行检测电路的检测。来自感测板的每个感测信号连接到D-FLASH的数据输入（Din），并且使用10个计数器以10位记录数据。当上升沿时钟到达时，如果感测电平达到FPGA的高电平阈值，则高电平将锁存到D.FF。当D-FF的输出为高时，相对计数器增加1。在计数时间期间，我们可以从每个感测计数器的结果中找到最大值，其可以表示为：

其中CS0，CS0，...，CS9分别是感测焊盘0,1，...，9的计数结果。max（）函数定义从counter_0到counter_9的（0,1，...，9）感测电平中的最大值。最大值1被加载到Sens（n）以记录最高感测值。箭头的位置由Sens（n）确定，其中n在0至9之间。因此，系统可以使用每个箭头仪表的Sens（n）参数读取箭头的值。图8显示了过采样方法的时序表。当每个计数器以0.1ms的速率采样时，计数值在0.1秒后在0和1000之间。箭头仪每秒输出10个检测结果，这对于大多数实用仪表应用来说足够快。因为箭头每次与一个感测焊盘相邻，所以该焊盘处的感测电平将高于其它焊盘的感测电平，如其值。有可能丢失一些采样数据或错误地检测到错误; 然而，每次记录1000个样本，从中选择最大值作为箭头编号的输出。因此，这种过采样技术能够降低故障率。

表2箭头仪表的编码表

感测结果需要10位来呈现箭头的位置。为了降低比特率并增加数据安全性，使用10到4编码器对数据进行编码。表2列出了箭头仪表的编码表。我们采用与当前计算系统兼容的简单二进制代码以仅使用4位来呈现感测的数字，以降低传输比特率。如果需要数据安全性，则二进制数据可以通过接收器执行的解密进一步加密。

图9示出了水表的输出结构。来自编码器的感测值通过并行到串行转换器转换为串行数据的形式。粗略数据也被嵌入到数据流中以传输到接收器。通过[9]中描述的方法读取粗四位码。粗略和精细的位形成位流。图10显示了输出数据流的格式。第一个16位用于同步发送器和接收器。粗略数据从最大值（0xxx〜9xxx）m3到第二最大值（x0xx〜x9xx）m3，最后到最后一个（xxx0〜xx9）m3。相对数如图1所示。每段数据使用4位编码；因此，需要16位来呈现粗略数据。 接下来，以相同的方式传输精细数据。精细数据涉及4个指针；因此，需要16位来表示这四个值。

图9 水表数据输出结构

图10 输出数据流格式

3箭头传感器的实验

现在我们评估提出的传感器的精度。当电源电压为3.3时，最小高电平对于可接受的感应电平约为1V。（1）的传递函数约为Vout / Vin = 3，频率可以由

通常，Rin gt;gt; Rw，C w gt;gt; Cin。因此（6）可以进一步简化为：

Rw的典型值约为1〜3k而且 Cw为约100〜200p。从（7），为设计的更好，频率大约300k到1M的范围内。对于实验，一个FGPA芯片能够产生各种频率以测试频率感测垫的灵敏度。我们测量每个焊盘中的感测电平，结果如表3所示;垫的位置在图1中示出。当频率小于300 kHz时，所有焊盘都能够感测高电平信号。由于感测电平超过1 V，它们都满足逻辑电路的最小高电平，因此我们无法识别箭头位置。然而，当频率高于1MHz时，信号将旁路到地。感测电平低于最小高电平阈值（Vihmin），并且不能检测到信号。当选择628 kHz的频率时，箭头指针下方的当前焊盘可以感测到高电平，但是其他焊盘不能。在该频率下，可以检测箭头指针的位置，并且尽管相邻的焊盘可以能够感测信号，但是能量低于当前焊盘的能量。在计算容错后，仅选择具有最强信号的感测垫，这降低了错误率。

接下来，我们在三种情况下测量感测电平波形：（a）图11（a）—（c）分别示出了2MHz，5MHz信号和来自电流焊盘和下一个焊盘的测量信号。由于检测到的电平仅为0.6 V（低于Vihmin），因此无法检测到信号。（b）图12（a）—（c）示出了在628kHz的频率下测量的波形，其中电流垫可以感测到1.1V，并且相邻的垫感测到0.9V。由于Vihmin是大约1V，焊盘可以总是感测信号，但是下一个焊盘有时不能检测信号。在一个采样周期之后，箭头下方的焊盘达到比其他焊盘更高的电平，这被识别为箭头指针的位置。（c）图13（a）—（c）示出了314kHz的信号频率，其中所有感测垫的电平增加。因为所有感测电平都超过Vihmin，一个无法识别箭头指针的位置。频率为628kHz时得出了这些实验中测试的最高灵敏度。这可以通过设计的传递函数与（6）—（7）满足我们的理论。

图11（a）2.5 MHz频率（b）从当前焊盘接收的信号（c）从下一个焊盘接收的信号

图12（a）频率为628KHz（b）从当前焊盘接收信号（c）接收来自下一个焊盘的信号

然后，我们评估所提出的箭头传感器的准确性。成功率定义为：

图13（a）频率为314 KHz（b）从当前焊盘接收信号（c）从下一个焊盘接收信号

其中n的范围为0至9。以下实验中，我们通过在30天的时间内每天测量十次来测试传感器，对于每个规格的总共300个测试样品。水面上的数字范围从0到9，所以我们记录了每个规格的正确识别数。图14显示了所提出的箭头传感器的测试精度，平均成功率超过95％。

图14 箭头传感器的测试精度

当箭头指针在两个焊盘之间时，它不提供足够的电源用于感测。为了克服这种故障，当感测功率低于阈值时，我们使数字仪表保持先前的测试结果。使用过采样方法，系统每1000个周期输出一个测试结果。通常，当箭头指针正好位于当前焊盘之上时，感测电平远高于其他焊盘的感测电平。阈值由当前焊盘和相邻焊盘的计数值确定。当当前焊盘和相邻焊盘之间的计数差超过阈值时，当前值被识别为当前焊盘的位置，其中在我们的实验中阈值= 300。否则，测试失败，输出保持在之前的状态。

接下来，我们比较常规电表，光感测计和建议的箭头感测计的功耗和实施成本。常规电表总是需要功率来计算使用多少水。总功率为30x24x60xMp一个月，其中Mp为机器在一分钟内的功耗。另外，其实现成本较高，因为其结构与现有系统不兼容。对于光学传感计和所提出的箭头传感计，当远程服务器发送计量值请求时，会提供电源，此后电源自动挂起。对于实际应用，读取仪表的时间约为每天10分钟，因此功率仅消耗30x10xMp一个月。与传统的电表相比，功耗可以大大降低144倍。光学方法通过相机感测箭头测光值。然而，这需要DSP处理器执行字符识别算法。实施成本高。所提出的方法仅嵌入一个低成本的FPGA芯片来检测箭头的位置，从而实现了低功耗和低成本的要求。

4结论

本文提出了一种用于水表的低成本和高精度的箭头指针传感器。我们将一个PCB电路安装到仪表主体上，用于读取箭头刻度。基于电容信号响应，发现最佳频率通过传递函数的分析来提高灵敏度。仅使用一个低成本FPGA来实现具有实时操作的所有感测电路。这个系统有一些优点：（1）实现了低成本的嵌入式数字表。（2）使用低功率计，其中电源仅用于读取仪表。（3）混合式仪表与现有的机械仪表完全兼容，便于安装。利用这些优点，所提出的传感器将

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