吳建斌，成 亞

（華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢430000）

1 引言

一直以來，水務(wù)公司對(duì)水表用戶抄表都是采用傳統(tǒng)的人工抄表的方式，這種抄表方式人為誤差嚴(yán)重，漏抄，估抄，冒抄現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不能及時(shí)準(zhǔn)確更新用戶的用水情況[1-2]。為解決人工抄表困難和及時(shí)掌握用水信息等類似問題，近年來出現(xiàn)了多種智能遠(yuǎn)傳水表，大體上分為脈沖式與直讀式。由于脈沖式水表會(huì)因?yàn)殡姵財(cái)嚯娕c線路中斷等情況產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。而大多數(shù)直讀式水表采用絕對(duì)編碼數(shù)據(jù)采集技術(shù)。絕對(duì)編碼數(shù)據(jù)采集技術(shù)采用了光電等物理方式，通過一種專門的傳感器和特殊的編碼計(jì)算方法進(jìn)行位置編碼。該水表較為直觀且平時(shí)不需供電，只在讀取數(shù)據(jù)的時(shí)刻上電，數(shù)據(jù)不會(huì)因斷電而清零，但是其編碼器結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理和識(shí)別方式比較復(fù)雜，要求的制造工藝和制造成本普遍相對(duì)較高[3-5]。設(shè)計(jì)采用攝像式的直讀式水表[6]，只需設(shè)計(jì)圖像采集模塊采集水表圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單的圖像識(shí)別算法就可以提取水表示數(shù)，不僅克服了脈沖式水表需持續(xù)供電的困難而且結(jié)構(gòu)簡單容易實(shí)現(xiàn)。目前我國大部分地區(qū)仍然采用人工抄表的方式，而且現(xiàn)有的智能水表價(jià)格都普遍較高，根據(jù)中國智能水表網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示普通智能水表價(jià)格一般在250元左右，并且對(duì)存量機(jī)械水表進(jìn)行改造需要停水和改變管道，所以不適合智能水表的大面積推廣。為了降低智能水表的成本，使其能夠被廣泛的推廣應(yīng)用，以及在不停水和改變供水管道的前提下實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有存量機(jī)械水表的智能化改造，設(shè)計(jì)了一種低功耗，低成本的攝像直讀式遠(yuǎn)傳水表。

2 智能水表硬件設(shè)計(jì)方案以及工作流程

2.1 智能水表硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)微處理器采用意法半導(dǎo)體公司的基于超低功耗的ARM32位Cortex-M0處理器內(nèi)核STM32F030CCT6單片機(jī)，一塊芯片成本低至7元。它具有48MHz的工作頻率，片上集成256KB的Flash以及32KB的SRAM，1個(gè)12位的μs級(jí)A/D轉(zhuǎn)換器，8個(gè)定時(shí)器，10個(gè)通信接口（其中包括2個(gè)I2C，2個(gè) SPI，6個(gè) USART接口），37個(gè) I/O 端口，工作電壓范圍為2.4V～3.6V[7]。它同時(shí)也具備了多種工作模式的選擇，能夠使系統(tǒng)在不需要工作時(shí)處于休眠狀態(tài)，有效的降低了工作功耗。

近年來無線射頻技術(shù)飛速發(fā)展[8]，無線遠(yuǎn)傳抄表無需布線，安裝方便，易實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)通信模塊采用LORA組網(wǎng)技術(shù)?；贚ORA模塊的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，不僅具有易嵌入、組網(wǎng)容量大、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，而且接收靈敏度高達(dá)-140dBm，信號(hào)穿透性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)[9]。由于系統(tǒng)使用電池供電，而LORA采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，不需要網(wǎng)格化網(wǎng)絡(luò)，適用于長期以電池供電的方式[10]，滿足系統(tǒng)長期電池供電的需求，所以本系統(tǒng)采取LORA通信方式。

基于STM32單片機(jī)的智能水表的總體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，它以STM32F030CCT6單片機(jī)為核心，附加其他外圍模塊組成。其中，主要的外圍模塊包括電源模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、LORA無線通信模塊、LED照明模塊以及電壓檢測模塊?？紤]到低成本和低功耗的需求，系統(tǒng)所選用器件的單片采購價(jià)不超過60元，其中主控模塊單片采購價(jià)大約7元，攝像頭模塊單片采購價(jià)大約20元，LORA通信模塊單片采購價(jià)大約12元。

圖1 智能水表硬件框圖

系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是各個(gè)模塊芯片的選擇，本系統(tǒng)選取的芯片都是低功耗低成本的器件。另外一方面是合理優(yōu)化系統(tǒng)的工作流程，采用各模塊逐步喚醒和斷電的工作機(jī)制，各個(gè)模塊均設(shè)計(jì)了開關(guān)電路。當(dāng)系統(tǒng)需要用到某個(gè)模塊時(shí)才為其供電，其它時(shí)刻處于斷電狀態(tài)，有效的降低了系統(tǒng)功耗。

2.2 工作流程

系統(tǒng)的工作流程為：首先啟動(dòng)MCU，啟動(dòng)電壓檢測功能，檢測電池剩余電量，當(dāng)電量不足時(shí)，打開LORA電源開關(guān)，系統(tǒng)通過LORA發(fā)出警示，最后關(guān)閉LORA電源；當(dāng)電池電量充足時(shí)，打開攝像頭電源開關(guān)，啟動(dòng)攝像頭，當(dāng)攝像頭啟動(dòng)成功，則打開LED燈進(jìn)行照明，攝像頭拍照，當(dāng)攝像頭拍照結(jié)束，關(guān)閉LED燈。攝像頭采集的圖像則寫入FIFO。單片機(jī)讀取FIFO數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖像處理，同時(shí)關(guān)閉攝像頭電源，接著打開LORA電源開關(guān)。通過LORA將主控處理獲取的結(jié)果發(fā)送出去，最后關(guān)閉LORA開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次的喚醒啟動(dòng)。工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

系統(tǒng)不僅在硬件選型上降低了成本和功耗，而且本系統(tǒng)工作流程的設(shè)計(jì)，有效的降低了系統(tǒng)的功耗。

3 主要外圍模塊

3.1 LED照明模塊

由于水表安裝在一個(gè)比較密閉的黑暗環(huán)境中，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)LED燈用于圖像采集時(shí)的照明，這樣才能保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。LED照明電路如圖3所示。發(fā)光二極管的陽極接電源，電源由開關(guān)控制。LED1和LED2端口與MCU的IO端口連接，由軟件控制拉低或拉高LED1和LED2端口。當(dāng)攝像頭準(zhǔn)備拍照時(shí)，打開攝像頭電源開關(guān)。當(dāng)攝像頭啟動(dòng)完畢開始拍照，拉低LED1和LED2，使LED燈照明。當(dāng)拍照完成，拉高LED端口，使LED燈熄滅。充分的降低了燈光照明時(shí)間，有效的降低了功耗。

圖3 照明電路

3.2 圖像采集模塊

系統(tǒng)圖像采集選用的是OV公司生產(chǎn)的CMOS VGA圖像傳感器OV7670。該傳感器采用CMOS結(jié)構(gòu)，由單電源供電，體積小，工作電壓低，不僅能夠提供VGA攝像頭和影像處理器的所有功能，而且功耗非常小[11]。因?yàn)镺V7670的像素時(shí)鐘（PCLK）最高可達(dá)24MHz，一般單片機(jī)（如STM32F0）的IO口直接抓取是非常困難的，也十分耗占CPU[12]，所以本系統(tǒng)圖像采集模塊通過采用FIFO存儲(chǔ)來自O(shè)V7670的圖像數(shù)據(jù),它能完整的存一幀的圖像數(shù)據(jù)并且可以隨時(shí)讀取,有效的降低了OV7670對(duì)單片機(jī)的性能依賴。

圖像采集模塊如圖4所示。

圖4 圖像采集模塊

其中，U6是12M的有源晶振，產(chǎn)生12M的時(shí)鐘信號(hào)作為OV7670的XCLK輸入，為OV7670提供時(shí)鐘。

PAM3101DAB是一塊穩(wěn)壓芯片，將3.3V電壓轉(zhuǎn)為2.8V，為OV7670提供穩(wěn)定的2.8V工作電壓。

U7是一個(gè)二輸入與非門，OV7670的行同步信號(hào)HREF與MCU的W_EN引腳作為與非門的輸入，輸出信號(hào)WE連接到FIFO的WE端口，作為OV7670向FIFO寫數(shù)據(jù)使能。

緩存AL422B的DO0到DO7連接到MCU的IO口，MCU通過此數(shù)據(jù)口從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理。AL422B的寫指針復(fù)位WRST引腳連接到MCU，由MCU控制寫指針操作。WRST低電平有效，當(dāng)WRST為低電平時(shí)，寫指針復(fù)位，開始從0地址寫數(shù)據(jù)；當(dāng)WRST為高電平時(shí)，寫指針運(yùn)動(dòng)。AL422B的讀指針復(fù)位RRST引腳連接到MCU，由MCU控制讀指針操作。RRST低電平有效，當(dāng)RRST為低電平時(shí)，讀指針復(fù)位，開始從0地址讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)RRST為高電平時(shí)，讀指針運(yùn)動(dòng)。AL422B的RCLK引腳連接到MCU的IO端口，由MCU向其提供讀數(shù)據(jù)時(shí)鐘。AL422B的OE引腳連接到MCU，由MCU控制FIFO讀操作。OE低電平有效，當(dāng)OE信號(hào)為低電平時(shí)，F(xiàn)IFO輸出使能狀態(tài)，隨著讀時(shí)鐘RCLK的運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)輸出管腳D07到DO0會(huì)按地址遞增的方式輸出數(shù)據(jù)；當(dāng)OE信號(hào)為高電平時(shí)，關(guān)閉輸出，隨著讀時(shí)鐘RCLK的運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)輸出管腳DO7到DO0會(huì)呈現(xiàn)高阻態(tài)。OV7670的PCLK引腳連接到緩存AL422B的WCLK引腳，作為OV7670向FIFO寫數(shù)據(jù)的時(shí)鐘。OV7670的數(shù)據(jù)口Y2到Y(jié)9連接到AL422B的DIO到DIO7端口，作為OV7670向FIFO的寫圖像數(shù)據(jù)端口。

3.3 LORA通信模塊

通信模塊是智能遠(yuǎn)傳水表的一個(gè)重要部分。攝像頭采集水表圖像數(shù)據(jù)后，進(jìn)行圖像識(shí)別，提取水表示數(shù)，最后通過LORA通信模塊將水表數(shù)據(jù)傳送出去。本系統(tǒng)通信模塊采用最新的LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)芯片SX1278。SX1278是一款高性能、低功耗、遠(yuǎn)距離的微功率無線模塊，內(nèi)部自動(dòng)擴(kuò)頻計(jì)算和硬件校驗(yàn)處理，使用起來簡單，而且SX1278的射頻芯片基于擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，在穩(wěn)定性、抗干擾能力以及接收靈敏度上都超越現(xiàn)有的GFSK射頻模塊，通信距離是普通FSK模塊的三倍以上[13-14]。SX1278具有以下特性：

1)基于LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)；

2)半雙工通信，SPI通信控制；

3)工作在2.1-3.6V寬電壓范圍；

4)微功率發(fā)射，標(biāo)準(zhǔn)100mW；

5)接收靈敏度高達(dá)-148dBm，最大發(fā)射功率+20dBm；

6)硬件檢驗(yàn)、硬件擴(kuò)頻編碼、可以自定義調(diào)頻機(jī)制；

7)接收、發(fā)射、CAD檢測、休眠等多種模式任意切換。

通信模塊電路如圖5所示。SPI_OUT、SPI_IN、SPI_CLK、NSS引腳連接到MCU相應(yīng)的端口，作為SPI接口的4條總線信號(hào)。NSS為片選信號(hào)，當(dāng)NSS信號(hào)線為低電平時(shí)，片選有效。SPI_CLK為時(shí)鐘信號(hào)線，由主通信設(shè)備產(chǎn)生。STM32的SPI時(shí)鐘頻率最大為fPCLK/2。SPI_OUT為主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳,主機(jī)從這條信號(hào)線讀入數(shù)據(jù),從機(jī)的數(shù)據(jù)則由這條信號(hào)線輸出。SPI_IN為主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳，主機(jī)的數(shù)據(jù)從這條信號(hào)線輸出，從機(jī)由這條信號(hào)線讀入數(shù)據(jù)[15]。RESET_LORA為SX1278的復(fù)位引腳，連接到MCU。DIO_0-DIO_5為SX1278的數(shù)據(jù)IO口，由軟件配置。VCC_LORA為SX1278提供電源。ANT為天線接口。

圖5 LORA通信模塊

4 硬件測試與結(jié)果分析

4.1 硬件測試

完善良好的硬件環(huán)境是軟件正常運(yùn)行的必備條件。因此在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)前，首先要檢測硬件性能是否達(dá)到預(yù)期的效果。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)硬件電路反復(fù)的進(jìn)行測試。經(jīng)過反復(fù)測試，確認(rèn)本系統(tǒng)各元器件引腳連接正常，無短路、斷路情況。各外圍模塊硬件測試均達(dá)到預(yù)期效果，可以正常使用。圖6為攝像頭OV7670采集的水表圖像。

4.2 結(jié)果分析

由于水表處于黑暗環(huán)境，用于照明的兩個(gè)LED燈為減小水表玻璃蓋產(chǎn)生的鏡面反射作用，應(yīng)該對(duì)稱的安裝在距離攝像頭盡可能遠(yuǎn)的左右上方。為了攝像頭采集到最清晰的圖像，攝像頭應(yīng)該安裝在水表正上方約5cm高處。由圖6可知，圖像采集模塊拍攝出的水表示數(shù)比較清晰，為下一步軟件設(shè)計(jì)中的圖像識(shí)別提高了識(shí)別率，有效減小了智能水表的錯(cuò)誤率。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于低功耗和低成本的設(shè)計(jì)。智能水表使用的器件均為低壓、低功耗器件。此外，電路中還設(shè)計(jì)了多個(gè)電源開關(guān)，僅當(dāng)用到某個(gè)模塊時(shí)，其電源開關(guān)才閉合，有效的降低了功耗。系統(tǒng)在最后的測試中，電源端串聯(lián)了一個(gè)電流表，測量了系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)以及工作狀態(tài)下的電流。測得待機(jī)狀態(tài)下的電流為20μA；系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下的工作電流為50mA。假設(shè)水表每個(gè)月采集并發(fā)送數(shù)據(jù)3次，每次采集數(shù)據(jù)到發(fā)送數(shù)據(jù)需要的時(shí)間在2s以內(nèi)。因此，采用2600mAh左右的電池并考慮20%的功耗損耗，在理論上可以使用一年。

圖6 攝像頭OV7670采集的水表圖像

5 結(jié)束語

本文對(duì)基于STM32F030CCT6的遠(yuǎn)傳智能水表的硬件設(shè)計(jì)與電路實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)闡述。首先描述了基于STM32F030CCT6的遠(yuǎn)傳智能水表的整體硬件框圖，給出了主芯片與各外圍模塊的關(guān)系。接著介紹了STM32F030CCT6選型優(yōu)勢以及其特性和功能，其次分別闡述了各個(gè)外圍模塊的接口電路，從硬件的角度闡述了各個(gè)硬件模塊的工作原理與實(shí)現(xiàn)功能，最后進(jìn)行了硬件測試和結(jié)果分析。從硬件上實(shí)現(xiàn)了低功耗遠(yuǎn)傳智能水表的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)就是對(duì)器件的選型，由于涉及到低功耗，所以要求所選器件都是低壓供電、低功耗器件。盡管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低功耗遠(yuǎn)傳智能水表，但是功耗可能沒有實(shí)現(xiàn)到最低。為了在以后的發(fā)展中更好地滿足用戶的需求，系統(tǒng)功能需要不斷地升級(jí)優(yōu)化，未來在圖像采集及識(shí)別準(zhǔn)確度、通信距離數(shù)據(jù)傳輸精確度等通信能力、產(chǎn)品功耗和成本等方面都有待進(jìn)一步的改進(jìn)。

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