摘 要：現(xiàn)有智能水表多數(shù)采用外接電源或一次性電池供電，在實際應用中存在布線麻煩、安裝不便、需頻繁更換電池、不利于環(huán)境保護等問題?；诖?，設計了一種無需消耗外界能源，由微型水輪發(fā)電機實現(xiàn)自供電的智能水表。該智能水表以AT89S52單片機為控制核心，硬件包括F50-12 V型微型水輪發(fā)電機、可充電電池、DN32型霍爾水流量傳感器和NB-IoT模組，軟件包括水流量采集模塊和遠傳通信模塊。該智能水表在沒有外部能源消耗的情況下，可將環(huán)境中的能量收集起來為智能水表系統(tǒng)供電，實現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的效果；同時，可通過無線通信技術將水表的數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)焦┧净蛴脩舻脑O備上，免去了手動抄表的麻煩，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測和管理。這不僅降低了供水公司的管理成本，提高了水資源的利用率，也為用戶更好地管理和監(jiān)控用水情況提供了便利。設計的智能水表在不消耗外部能源的情況下，實現(xiàn)自供電和遠程數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)構簡單，成本較低，具有一定的應用價值。

關鍵詞：智能水表；自供電；遠程傳輸；單片機；低功耗；AT89S52單片機

中圖分類號：TP393；TH814.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

在智慧城市的建設中，供水網(wǎng)絡是極為重要的一部分，如何有效管理供水網(wǎng)絡是建設智慧城市所面臨的關鍵挑戰(zhàn)。水表是管理供水系統(tǒng)的一項重要儀器，用以計量從公共供水系統(tǒng)向住宅或商業(yè)樓宇供給的水量[1]。傳統(tǒng)的機械水表雖具有成本低、結(jié)構可靠的特點，但其計量精度低、測量范圍窄，無法實時、自動地檢測用水量，需要水務工作人員定期訪問水表安裝地點進行人工抄表，且用水量的計算需要用到以往的用水數(shù)據(jù)，這一過程需要相當大的操作成本，且耗時、容易出錯。隨著大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，如今有了電子式智能水表。電子式智能水表具有漏水報警、自動抄表、可實時給用戶提供用水信息的功能，有助于用戶實時了解用水信息[2]?，F(xiàn)有的智能水表雖然具有高精度、遠程監(jiān)測、低功耗運行等優(yōu)點，但其需要外接電源或采用電池供電。外接電源雖能長時間保證智能水表的正常工作，但其存在布線麻煩、安裝不便的弊端，而一次性電池供電水表雖可以解決以上弊端，但其因電池容量有限，若出現(xiàn)電池電量不足的情況，水表將無法快速地關閉水閥，造成無法計費、逃水等情況出現(xiàn)，并且這兩種供電方式都需依靠外部的能量。

基于此，設計了一種利用微型水輪發(fā)電機實現(xiàn)自供電的智能水表。該智能水表在不消耗外界能源的情況下，實現(xiàn)自供電，避免了傳統(tǒng)水表需要布線和頻繁更換電池的問題。所設計水表還具有結(jié)構簡單、低成本、高精度、使用壽命長的特點，具有一定的實用價值。

1 自供電的智能水表的工作原理

圖1所示為所設計智能水表的工作原理，該水表分為兩部分：水表本體和微型水輪發(fā)電機，它們毗鄰布置在一根水管上，由電線相接。微型水輪發(fā)電機產(chǎn)生的電經(jīng)電源管理模塊調(diào)整后輸送給水表中的可充電電池，可充電電池再為AT89S52單片機、霍爾水流量傳感器和NB-IoT芯片供電?；魻査髁總鞲衅鲗⑹占降乃髁啃畔鬏斀oAT89S52單片機，經(jīng)單片機處理后再由其外接的NB-IoT芯片與NB-IoT基站連接后發(fā)送至用戶終端接收器上。

2 水表整體結(jié)構設計

自供電智能水表的整體結(jié)構設計主要包括能量收集模塊、水表流量計量模塊和無線通信模塊。

2.1 能量收集

在居民供水系統(tǒng)中，水表的周圍有多種獲取能量的可能途徑，如光能、水流動能、溫差、機械振動等。水表大多安裝在隱蔽的環(huán)境，如壁櫥、水表間等，這些地方無法利用風能或者光能進行發(fā)電。考慮到自來水管中的水流是良好的能量來源，故本設計采用F50-12 V型微型水輪發(fā)電機，該發(fā)電機可產(chǎn)生12 V的穩(wěn)壓直流電，足夠保證智能水表的用電需求。所選用的微型水輪發(fā)電機結(jié)構如圖2所示。

微型水輪發(fā)電機是通過電磁感應產(chǎn)生感應電動勢，將水流的動能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)整流器后輸出直流電，為整個系統(tǒng)供電[3-6]。當水經(jīng)過微型水輪發(fā)電機時會帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，磁鐵也隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使定子線圈相對磁鐵的磁極不斷變化，從而使線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應電動勢。

2.2 水流量計量

霍爾水流量傳感器是一種渦輪式流量計，是利用霍爾效應來測量磁性物理量，具有精確度高、可檢測微小流量變化、價格低廉等優(yōu)點。該流量計管道中心安裝有一個多葉片的葉輪，兩端用軸承支撐。當水流快速流過水管時，水流沖擊葉輪的葉片，對葉輪產(chǎn)生驅(qū)動力，葉片克服摩擦力矩和流體阻力從而旋轉(zhuǎn)。當葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，會產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，當磁極靠近霍爾元件時，霍爾元件接通；遠離時，霍爾元件被斷開。由于霍爾元件輸出的信號頻率與葉輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速密切相關，而葉輪的轉(zhuǎn)速與水流量成正比，因此可以通過傳感器在單位時間內(nèi)反饋的信號判斷水流量大小[7-8]。本設計采用的DN32型霍爾水流量傳感器，其流量測量范圍為3～120 L/min，通過水輪轉(zhuǎn)動使磁極變化觸發(fā)霍爾模組產(chǎn)生脈沖來測量水流量，滿足自來水管的測量要求。

2.3 無線通信

該智能水表通過無線接收和發(fā)送模塊將水流量傳感器收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嚓P基站，從而實現(xiàn)遠程抄表。智能水表的無線通信是利用無線技術實現(xiàn)水表與用戶手機、數(shù)據(jù)中心等設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，其可以滿足遠距離的傳輸需求。同時智能水表的無線通信具有實時監(jiān)測的優(yōu)點，可應用于住宅、廣場、工廠等場合。

基于以上智能水表無線通信的多種特征和優(yōu)點，本設計采用的無線通信系統(tǒng)可分為感知層、傳輸層、平臺層和應用層四部分。智能水表感知層所要實現(xiàn)的功能是收集用水量數(shù)據(jù)；傳輸層需實現(xiàn)通信模塊與NB-IoT基站連接，將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺；平臺層所要實現(xiàn)的功能是接收從水表傳輸來的數(shù)據(jù)并存儲；應用層即用戶可以在手機的程序上查詢到云平臺上所存儲的數(shù)據(jù)。所設計的通信系統(tǒng)結(jié)構如圖3所示。

無線通信系統(tǒng)結(jié)構的傳輸層涉及NB-IoT技術，其具有低功耗、低成本、穿透能力強、通信連接穩(wěn)定等特點，適合應用于智能水表的信息傳輸。微控制器與NB-IoT模組通過串口連接以傳輸數(shù)據(jù)。本設計選用的NB-IoT模組是中國移動的M5310A。M5310A芯片是一款工業(yè)級多頻段NB-IoT模組芯片，內(nèi)嵌MQTT/LwM2M/COAP等多種傳輸協(xié)議及擴展AT指令，通過使用簡單的AT指令即可實現(xiàn) NB-IoT 模塊與云平臺之間的連接[9]；并且該模組支持PSM和eDRX兩種節(jié)電技術，適用于本文設計的能量來源有限的低功耗智能水表。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件設計是智能水表設計的重要部分。本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設計分為系統(tǒng)初始化模塊設計、水流量信息采集模塊設計、通信系統(tǒng)模塊設計三部分。

3.1 系統(tǒng)初始化模塊設計

單片機是智能水表軟件系統(tǒng)的控制核心，而單片機軟件程序的編寫首先需要進行初始化，如圖4所示。本文設計的軟件系統(tǒng)的主程序首先對定時器進行初始化，主要為了得到串行通信發(fā)生所需的波特率，該波特率需與NB-IoT模塊高度相同，其決定著單片機與NB-IoT模塊之間的信息傳輸速度；其次進行串口初始化，主要是針對單片機中與水表收發(fā)數(shù)據(jù)相關的寄存器以及I/O口的初始化；然后對串口重要參數(shù)進行初始化，主要包括起始位、停止位、字長以及收發(fā)模式；最后進行串口中斷的初始化，設置中斷源，使發(fā)生相應事件時有相應的中斷子程序來處理事件，串口即可完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收工作，為水流量信息采集模塊設計做好準備[10]。

3.2 水流量信息采集模塊設計

智能水表監(jiān)測的水流量信息是以霍爾傳感器輸出脈沖的形式傳遞給單片機，因此數(shù)據(jù)采集程序的設計采用外部脈沖信號觸發(fā)中斷的方式?；魻査髁總鞲衅鲗a(chǎn)生的脈沖信號傳遞給單片機時觸發(fā)中斷，單片機隨即開啟脈沖信號處理子程序，開始采集水流量信息（如圖5所示）。單片機根據(jù)產(chǎn)生的脈沖數(shù)和相應的系數(shù)計算后可得出用水量。將計算得到的用水量存儲到FLASH中用于后續(xù)信息的傳輸和日后查閱數(shù)據(jù)。

3.3 通信系統(tǒng)模塊設計

本文設計的通信系統(tǒng)模塊的主要功能為定時發(fā)送水流量信息。為了實現(xiàn)水流量信息的定時傳輸，該通信系統(tǒng)模塊的觸發(fā)采用定時器中斷的方式。每當設定的一小時計時時間結(jié)束后，單片機便會觸發(fā)一次中斷。如圖6所示，中斷觸發(fā)后，單片機首先申請加入NB-IoT網(wǎng)絡，隨后通過由串口連接的NB-IoT模組發(fā)送包含水流量信息的數(shù)據(jù)，該過程主要包括命令的構建、發(fā)送和錯誤處理。命令構建的過程主要是將水流量數(shù)據(jù)按照一定的格式構成符合NB-IoT協(xié)議要求的數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)包構建完成后，單片機將通過串口發(fā)送命令并進行異常數(shù)據(jù)的處理，以確保數(shù)據(jù)的準確傳輸。最終，通過上述流程，智能水表將能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精確、穩(wěn)定的水流量信息定時傳輸。

4 結(jié) 語

針對現(xiàn)有水表需要消耗外部能源、無法實現(xiàn)遠程抄表等缺點，設計了一種新型的自供電智能水表，該水表采用微型水輪發(fā)電機收集能量為整個水表系統(tǒng)供電，并采用NB-IoT通信技術將水表數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)焦┧净蛴脩舻脑O備，實現(xiàn)了在無需外界能源供應的情況下實時監(jiān)測用戶用水信息，避免了人工抄表，提高了供水公司的管理效率。該智能水表實現(xiàn)了自供電和遠程數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)構簡單，成本較低，具有一定的實用價值。

注：本文通訊作者為邢春曉。

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作者簡介：朱厚森，男，本科生，從事智能農(nóng)機研究。

邢春曉，男，講師，從事智能農(nóng)機研究。

收稿日期：2023-04-19 修回日期：2023-05-15

基金項目：自治區(qū)級大學生創(chuàng)新項目（S202310758026）