劉玉潔，李漢榮，陳錦

（珠海城市職業(yè)技術學院，廣東珠海，519090）

0 引言

水表是城市供水企業(yè)中使用最廣、數(shù)量最多的計量儀表。長時間以來，水務公司對水表用戶抄表采用傳統(tǒng)的人工抄表方式，不僅費時費力，而且不能及時準確更新用戶的用水情況[1-2]。

因此，采用智能遠傳水表是城市現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)傳輸方式，遠傳技術可分為有線遠傳和無線遠傳。有線遠傳需要鋪設長距離的通信線，容易造成施工上的不便和困難。而無線遠程方式只需要在原有的儀表上技能型改造即可。無線技術如WIFI、藍牙、Zigbee、UWB 等，這些技術各有優(yōu)缺點，但最突出的矛盾在于低功耗和遠距離傳輸之間，兩者難以同時兼顧。作為一種5G 時代新興的物聯(lián)網通信技術低功耗廣域網LPWAN，其具備容量大、覆蓋范圍廣、穿透力強、成本低廉等優(yōu)點，雖然數(shù)據(jù)傳送速率較低，但已經可以滿足如智能抄表等小數(shù)據(jù)定期上報的應用場景。目前主流的LPWAN 技術又可分為工作在非授權頻段的LoRa 和授權頻段NB-IoT 的兩類技術。本項目主要研究NB-IoT 技術在智能水表中的具體應用。

1 總體設計思路

本項目系統(tǒng)總體框圖設計如圖1 所示，其中終端硬件部分主要由主控模塊STM32、水流量監(jiān)測模塊、閥門控制模塊和NB-IoT 通信模塊組成。終端采用NB-IoT 技術對智能水表采集的水流量數(shù)據(jù)進行遠距離傳輸?shù)脚c中移物聯(lián)OneNET 云平臺。云平臺可實時監(jiān)測異常數(shù)據(jù)，幫助水務公司實現(xiàn)數(shù)字化、精準化、智能化管理。本設計最大的優(yōu)點在于低功耗設計，首先體現(xiàn)在各個模塊芯片的選擇都是低功耗低成本的器件，然后合理優(yōu)化系統(tǒng)的工作流程，在軟件設計中采用NB 模塊斷電和喚醒的工作機制。當系統(tǒng)需要用到NB 模塊時才為其供電，其他時刻處于斷電狀態(tài)，有效地降低了系統(tǒng)功耗[3]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設計

■2.1 水流量監(jiān)測模塊設計

改造傳統(tǒng)水表，在水表內部安裝磁鐵塊和霍尼韋爾傳感器SL351LT。SL351LT 工作原理和靈敏度同傳統(tǒng)的干簧管，當磁鐵靠近SL351LT 時，SL351LT 內部簧片吸合；當磁鐵離開SL351LT 時，SL351LT 內部簧片斷開，從而輸出計量脈沖。但其外形更小巧、運行更持久、性能更可靠，且電流消耗低于500 毫微安[4]。智能水表中當水流帶動葉輪轉動，水表指針轉盤旋轉一周，磁鐵經過SL351LT 一次，便產生一個脈沖，最終根據(jù)脈沖的數(shù)量得用水量[5]。為提高計量的精確度，本設計采用了雙SL351LT 采樣，如圖2 所示。兩個SL351LT 發(fā)出兩個脈沖信號輸入STM32 主控芯片，當兩個輸入端依次有脈沖輸入時，水表判斷為一次有效采用，完成一次計數(shù)。當只閉合一個SL351LT 時，水表不計量，從而解決水表因抖動而誤發(fā)信號的問題。

圖2 水流量監(jiān)測電路原理圖

■2.2 主控模塊

主控模塊的主要進行水流量數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸。由于系統(tǒng)較為簡單，主控芯片選用了意法半導體有限公司的STM32 L051C8T6，該微控制器基于Cortex-M0 內核。M0 內核的應用場景大多是高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用。STM32L051C8T6 擁有的豐富資源，幾乎不需要擴展太多的外圍電路就能滿足本設計要求。STM32L051C8T6 主要特點如下[6]：

（1）超低功耗工作平臺

工作電壓為1.65～3.6V。具有4 種低功耗工作狀態(tài)，2 種喚醒狀態(tài)。在3.3V 供電下，正常工作狀態(tài)的消耗僅為88μA/MHz,而待機狀態(tài)的電流可以低至0.27μA。

（2）存儲空間

它內置64K 字節(jié)的Flash,8K 字節(jié)的SRAM,2K 字節(jié)的EEPROM，其中Flash 和EEPROM 都應用了錯誤檢查和糾正技術。另外還有20byte 的備用寄存器，保證了程序的高效運行。

（3）豐富的模擬外設

12 位16 通道的的ADC，有9 個定時器，其中有2 個16 位的超低功耗定時器，有I2C、SPI、USART 等通信標準接口。

■2.3 NB-IoT 通信模塊

NB-IoT 通信模塊主要實現(xiàn)水表終端和物聯(lián)網云平臺的信息交互，本系統(tǒng)通信模塊電路圖如圖3 所示，由NB-IoT模塊、SIM 卡座、電源電路、串口電平轉換電話和復位電路組成[7]。NB-IoT 通信模塊通過串口與主控模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，可將通信模塊的RXD、TXD 連接到STM32L051C8T6的串口對應管腳進行串口通信。

圖3 NB—IoT 通信模塊電路原理圖

其中NB-IoT 模塊選用上海移遠公司基于聯(lián)發(fā)科MT2625 芯片平臺研發(fā)的BC26，它可同時支持全球頻段，且具有超小體積，尺寸僅為17.7×15.8×2.0mm，支持2.1V～3.63V 的低供電電壓，采用易于焊接的LCC 封裝，能最大限度滿足智能水表這一類低功耗緊湊型終端設備的需求。BC26 兼容移遠通信GSM/GPRS 系列的M26 模組，方便現(xiàn)有的2G 客戶快速、靈活地切換至NB-IoT 網絡。同時BC26 還提供包括UART、SPI、ADC 等豐富的外部接口，以及TCP、CoAP、MQTT 等網絡協(xié)議，具備OpenCPU 功能，可接入OneNET、EasyIoT、OceanConnect 等物聯(lián)網云平臺[8]。

本系統(tǒng)中的SIM 卡接口電路選用8-pin 的MINISIM 卡座，電路原理圖如圖4 所示。電源、數(shù)據(jù)、時鐘、復位信號分別對的是SIM_VCC、SIM_DATA、SIM_CLK、SIM_RST，均由BC26 模塊提供。天線采用外接方式，駐波比低于2，天線增益為1dB。

圖4 SIM 卡接口電路原理圖

■2.4 閥門控制模塊

為了實現(xiàn)通過云平臺或者智能終端應用對水流開關進行遠程控制，本表在傳統(tǒng)水表基礎上進行改造，增加電機驅動的水閥開關。當云平臺或者智能終端應用發(fā)送控制指令后，BC26 模塊接收相應的下行報文，再發(fā)送給主控模塊，STM32L051C8T6 芯片控制電機的轉動來實現(xiàn)水閥的開關。本項目中電機驅動芯片采用DRV8832DGV。該芯片能實現(xiàn)電動機閥門的安全啟動，以及設備的過壓、限流、過溫保護，還可通過故障輸出引腳向控制器發(fā)出故障信號[9]。它的正常工作電壓為2.75～6V，輸出電流可達1A。為確保電池有更長的使用壽命并保證電機轉速的恒定，DRV8832 內部提供PWM 電壓控制模式。本系統(tǒng)的閥門電機電源線與DRV8832 的OUT1 和OUT2 端口相連，而DRV8832 的輸入端則連接STM32L051C8T6 的PB6 和PB5，從而實現(xiàn)GPIO 通過控制電平的高低來實現(xiàn)電機的正反轉。

■2.5 電源模塊

由于水表量多，且分布廣泛，為方便用戶，減少勤更換電池麻煩。本系統(tǒng)采用大容量鋰電池供電方式，電池型號為武漢瀚興日月ER26500M，供電電壓為3.6V，容量為9000mAh。因為STM32L051C8T6 芯片具有出色的電源管理和功耗控制功能，可以使智能水表具有很低的休眠功耗。采用一節(jié)ER26500 可以使智能水表工作達1 年以上。同時由于沒有設計再充電電路,鋰電池使用到一定時間,將無法正常為系統(tǒng)提供電能。為解決制約智能水表電源工作的瓶頸問題,本設計設置使用超級電容作為備用電源，同時在軟件設計中實現(xiàn)電池電量監(jiān)測，從而有效減少無法計費、無法可靠關閉水閥等情況出現(xiàn)。

圖5 電源電路原理圖

3 軟件設計

軟件主程序流程圖如圖6 所示。整個系統(tǒng)硬件設計采用低功耗設計，MCU 采用低功耗配置，平時進入低功耗模式，通過RTC 每50ms 喚醒一次，采集水表脈沖數(shù)據(jù)，轉換成水表讀數(shù)存儲在MCU 的EEPROM 中，MCU 打開內部實時時鐘，與設定的定時上傳時間進行匹配，若時間一致，立即打開NB 模塊供電，開機，NB 模塊初始化配置，MCU 實時時鐘與基站時鐘進行校時，獲取當前NB 模塊的信號值，供電電池電壓，當前水表累計讀數(shù)，打包所需水表參數(shù)成JSON 格式，連接ONENET 平臺，上傳打包好的數(shù)據(jù)，上傳完成后等待ONENET 平臺回復應答指令，整個上傳過程結束。關閉外設進入低功耗模式，等待下次上傳定時時間。

圖6 主程序流程圖

■3.1 系統(tǒng)初始化

當智能水表上電復位后，主控模塊STM32L051C8T6進行系統(tǒng)初始化，包括初始化時鐘、GPIO、串口，讀取主控芯片EEPROM 中的水表配置參數(shù),如當前水表脈沖數(shù)等。同時將PB13、PB14 設置為輸入引腳，用于采集水流量計量脈沖。當未到達采樣脈沖數(shù)據(jù)或者上傳數(shù)據(jù)時間時，系統(tǒng)進入低功耗睡眠模式。

■3.2 NB-IoT 模塊入網

當達到設定上傳時間時，NB 模塊啟動工作。第一步需要成功接入NB 網絡，BC26 模塊入網的對接流程見圖7。BC26 模組上電復位后，通過執(zhí)行AT 指令，即可完成水表終端與NB-IoT 網絡對接。首先通過AT 指令判斷MCU 能否與NB 模塊進行正常通信，如果可以則配置NB 模塊，包括設置通信波特率，通信頻段，打開射頻功能，然后查詢SIM卡卡號，獲取當前NB 網絡信號值，信號正常的情況下就可以通過BC26 附著到NB 網絡。

圖7 BC26 模塊入網的對接流程

■3.3 數(shù)據(jù)上傳云平臺

主控芯片STM32L051C8T6 將采集的水流量數(shù)據(jù)解析后通過串口發(fā)送給BC26，BC26 通過COAP(Constrained Application Protocol)協(xié)議將水流量數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網云平臺。本系統(tǒng)使用的是云平臺為中移物聯(lián)的OneNET。OneNET 是中國移動推出的定位為PaaS 服務的物聯(lián)網開放云平臺，平臺提供了豐富的API，能幫助用戶通過簡單的調用，使得終端設備快速接入。智能水表屬于NB-IoT 領域下的物聯(lián)網應用,要實現(xiàn)水表終端與OneNET 平臺通信，應用層需采用LwM2M(Lighetweight Machine-To-Machine)協(xié)議，它是一種基于UDP 協(xié)議之上的具有重傳機制的輕量級M2M 協(xié)議，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網應用。LwM2M協(xié)議可通過引導接口、客戶端注冊接口、客戶管理與服務實現(xiàn)接口、信息上報接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[10]。BC26 模塊通過AT 指令采用LwM2M 協(xié)議接入OneNET 云平臺流程如圖8 所示。

圖8 BC26 接入云平臺流程

4 系統(tǒng)測試

智能水表外觀如圖9 所示。水表電源端與萬用表串聯(lián)，測量水表終端待機狀態(tài)以及工作狀態(tài)下的電流。測得待機狀態(tài)下的電流為7.89μA，如圖10 所示；系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下的工作電流為30mA;假設水表每個月采集并發(fā)送數(shù)據(jù)10次，每次采集數(shù)據(jù)到發(fā)送數(shù)據(jù)需要的時間在2s 以內。因此，采用9000mAh 左右的電池并考慮20%的功率損耗，在理論上可以使用一年，實現(xiàn)了低功耗系統(tǒng)設計要求。

圖9 智能水表外觀

圖10 智能水表待機電流

系統(tǒng)設置每隔15 分鐘上傳水流量數(shù)據(jù)至云平臺一次。服務器通過API 接口將水流量數(shù)據(jù)推送到OneNET 云平臺，云平臺以折現(xiàn)的方式展示實時用水情況，如圖11 所示。本系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程監(jiān)控功能，用戶可以在前端網頁進行實時監(jiān)控，且歷史數(shù)據(jù)不會丟失。此外，在OneNET 云平臺還可以添加報警觸發(fā)器，當智能水表上傳到云平臺的水流量參數(shù)高于或低于設定閾值會進行報警。

圖11 OneNET 云平臺監(jiān)控數(shù)據(jù)

5 結語

為了適應智慧城市智能抄表管理的需求，本文設計開發(fā)了一套基于STM32L051C8T6 和NB-IoT 通信模塊BC26 的智能遠傳水表。該系統(tǒng)利用嵌入式和窄帶物聯(lián)網技術，可以通過PC 等終端遠程采集水表水流量數(shù)據(jù)，同時可及時獲取異常報警信息，方便水務公司實現(xiàn)數(shù)字化、精準化、智能化管理。測試結果表明，該智能水表實現(xiàn)了遠程低功耗數(shù)據(jù)采集，運行穩(wěn)定，達到了預期設計目標。