廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院 歐浩源 王 毅 張建明

本文利用物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了智能水表集抄系統(tǒng)中的云服務(wù)數(shù)據(jù)集采網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)下行通過Zigbee技術(shù)與水表采集模塊組建無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)抄收；上行通過NB-IOT技術(shù)與云端服務(wù)器建立連接，上報網(wǎng)關(guān)接管水表的實時數(shù)據(jù)。該網(wǎng)關(guān)接入集抄系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行測試，下行數(shù)據(jù)抄收準(zhǔn)確，上行數(shù)據(jù)傳輸可靠，整體運(yùn)行功耗超低，具有很好的研究意義和實用價值。

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和云計算系統(tǒng)的技術(shù)成熟與應(yīng)用普及，新一代信息處理技術(shù)為“水務(wù)+互聯(lián)網(wǎng)”的應(yīng)用提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，也為水表數(shù)據(jù)采集和用水管理提供了更多的解決途徑。智能水表集抄系統(tǒng)可以讓水表具有思維，將城市的水表進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化和信息化，從而組建以水表為核心的物聯(lián)網(wǎng)體系。通物聯(lián)網(wǎng)與云架構(gòu)建立以實時用水?dāng)?shù)據(jù)為內(nèi)容的數(shù)據(jù)中心，根據(jù)用戶實際使用情況進(jìn)行抄收和按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水費(fèi)計算。不但可以提高效率，還可以方便的做到實時抄收和階梯結(jié)算。在智能水表集抄系統(tǒng)中，云服務(wù)數(shù)據(jù)集采網(wǎng)關(guān)（下稱：集采網(wǎng)關(guān)）是一個承上啟下的信息傳遞樞紐，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

1 集抄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文的智能水表集抄系統(tǒng)中，最下面的感知層為裝在用戶水表上的水表數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊通過累計霍爾元件上的脈沖數(shù)獲得用戶的用水信息。除了能夠?qū)崟r獲取用戶用水量之外，該模塊還具有Zigbee通信模組，能夠跟云服務(wù)數(shù)據(jù)集采網(wǎng)關(guān)組建Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)的傳遞。集采網(wǎng)關(guān)對接管的各個水表完成數(shù)據(jù)采集后，將這些數(shù)據(jù)封裝成約定的格式，然后啟動上行的NB-IOT模組和云端服務(wù)器建立連續(xù)，上報最新的用水?dāng)?shù)據(jù)。集抄系統(tǒng)的最上層為自來水公司的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該管理系統(tǒng)從云端服務(wù)器中獲取用戶的最新用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算和管理等工作。整個智能水表集采系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能水表集抄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 集采網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計

集采網(wǎng)關(guān)在智能水表集抄系統(tǒng)中是信息傳遞樞紐，下行承擔(dān)著對用戶水表用水?dāng)?shù)據(jù)采集的任務(wù)，上行需要與云端服務(wù)建立連接，上報用水?dāng)?shù)據(jù)。在本網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計中，除了要實現(xiàn)上下行通信功能之外，還要做好整體的低功耗處理。集采網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2 集采網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計

集采網(wǎng)關(guān)主控芯片采用ST公司的超低功耗微處理器STM32L451C8T6，該微處理器提供ShutDown關(guān)機(jī)模式，在該模式下待機(jī)功能可達(dá)5uA。網(wǎng)關(guān)的下行通信采用CC2530模組與各個水表進(jìn)行Zigbee無線組網(wǎng)；上行通信采用L620模組與中國電信的云服務(wù)器建立通信信道，在特定的時間段上報網(wǎng)關(guān)接管水表的全部實時數(shù)據(jù)。

為了使集采網(wǎng)關(guān)的綜合功耗更低，在硬件電路上設(shè)計了電源管理和硬件開關(guān)機(jī)兩個部分。集抄系統(tǒng)需要進(jìn)行水表數(shù)據(jù)采集的和向云服務(wù)器上報數(shù)據(jù)的時候，主控芯片處于正常工作狀態(tài)，控制電源管理電路給相應(yīng)的模組供電。只有在向云服務(wù)器上報數(shù)據(jù)的時候，主控芯片才會通過硬件啟動L620模組與云服務(wù)器上線連接。當(dāng)水表數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)上報工作完成后，主控芯片首先計算下一次喚醒時間的計算，并將該時間設(shè)置到RTC外設(shè)的鬧鈴參數(shù)中，然后進(jìn)行關(guān)機(jī)模式，直到RTC鬧鈴觸發(fā)才會重新喚醒主控芯片，進(jìn)入正常工作模式。

3 上行通信部分設(shè)計

集采網(wǎng)關(guān)上行通信部分以上海移柯的NB-IOT模組L620為核心進(jìn)行設(shè)計。L620模組低功耗超低，在3.3V電源下PSM模式只有3.5uA，非常合適本產(chǎn)品的設(shè)計理念。模組為45腳LCC封裝，本部分的硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 集采網(wǎng)關(guān)上行NB-IOT硬件設(shè)計

L620模組提供了三路串行通信接口UART，其中UART1為全功能的串行異步通信接口，作為本集采網(wǎng)關(guān)通信接口，與主控芯片STM32L451的USART3連接。L620模組的UART接口電平為1.8V，與STM32L451的接口電平不匹配，故在它們之間需要增加一個電平轉(zhuǎn)換電路。

L620模組支持并能自動檢測3.0V和1.8V的SIM卡。模組通過4根線與SIM卡座進(jìn)行連接，分別是：SIM卡數(shù)據(jù)引腳SIO，SIM卡時鐘引腳SCLK，SIM卡復(fù)位引腳SRST和SIM卡電源引腳SVIM。在硬件設(shè)計時，SIM卡座盡量靠近L620模組SIM卡接口的位置，避免因走線過長，導(dǎo)致波形變形而影響信號的完整性。SCLK和SIO信號線走線必須包地保護(hù)，在SVIM和GND之間需要并聯(lián)一個1uF的電容，以濾除射頻信號的干擾。

L620模組提供硬件開關(guān)機(jī)功能，在不要上報數(shù)據(jù)的時候，由主控芯片通過該引腳把模組關(guān)閉，以減小整機(jī)的功耗。模組的第30引腳為硬件開機(jī)輸入端，在L620模組上電后，可以通過拉底該引腳300ms～1s后再釋放，使用模組開機(jī)。在需要硬件關(guān)機(jī)的時候，拉底該引腳8～11s即會觸發(fā)模組關(guān)機(jī)，整個關(guān)機(jī)流程需要1s才能完成。

4 下行通信部分設(shè)計

集采網(wǎng)關(guān)上行通信以TI公司的CC2530芯片為核心的模組進(jìn)行設(shè)計。該模組的UART1接口與與主控芯片STM32L451的USART1連接，主控芯片通過該串口向Zigbee模組發(fā)送抄收命令和接受水表數(shù)據(jù)。CC2530模組中移植Z-Stack協(xié)議棧，在該協(xié)議棧中編寫應(yīng)用程序，以任務(wù)管理的方式實現(xiàn)集采網(wǎng)關(guān)命令響應(yīng)、水表數(shù)據(jù)抄收，水表數(shù)據(jù)上傳，網(wǎng)絡(luò)組建維護(hù)等功能。本部分的硬件設(shè)計框圖如圖4所示。

圖4 集采網(wǎng)關(guān)下行Zigbee硬件設(shè)計

結(jié)束語：本文設(shè)計的智能水表集抄系統(tǒng)中的云服務(wù)集采網(wǎng)關(guān)已完成樣機(jī)測試，在近1年的現(xiàn)場投運(yùn)過程中，下行水表數(shù)據(jù)采集尚未發(fā)現(xiàn)丟包情況，上行的數(shù)據(jù)上報偶有掉線，整體成功率在95%以上。系統(tǒng)在關(guān)機(jī)模式下功耗在8uA左右，正常工作時在15mA左右，基本上達(dá)到設(shè)計預(yù)期指標(biāo)，能夠滿足集抄系統(tǒng)使用要求。