一種基于窄帶物聯網的智能水表設計

黃偉 彭曉宏 張明明 侯立剛 耿淑琴

關鍵詞： 智能水表; NB_IoT; 家庭物聯網; 電源管理電路; 數據采集電路; 信息上傳

中圖分類號： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）14?0169?04

Design of intelligent water meter based on narrow?band IoT

HUANG Wei， PENG Xiaohong， ZHANG Mingming， HOU Ligang， GENG Shuqin

（School of Microelectronics， Beijing University of Technology， Beijing 100022， China）

Abstract：In order to connect the intelligent water meter into the family internet of things （IoT）， and overcome the problem that the traditional water meter is easy to corrode and can not upload the work information of the water meter to users in time， an intelligent water meter based on NB_IoT is designed in this paper. The intelligent water meter mainly consists of five parts： power management circuit， valve switch automatic control circuit， data acquisition circuit， battery power detection circuit and NB_IoT module driving circuit. The ultra?low power consumption single?chip STM2L073 is used in intelligent water meter as its core processor. The intelligent water meter uploads the water usage and battery power information to the client every 30 minutes. When the users′ funds is insufficient or the battery power is low， the intelligent water meter automatically closes the valve and uploads warning information to the clients. If the users′ funds is recharged， the water meter automatically opens the valve. When the intelligent water meter does not communicate with the client， the MCU software sets the NB_IoT module to sleep mode， so as to greatly reduce the power consumption of the system and prolong the battery life.

Keywords： intelligent water meter; NB_IoT; family IoT; power management circuit; data acquisition circuit; information uploading

0 ?引 ?言

目前智能水表主要分為卡式水表、短信表及遠程水表3種類型。卡式水表是一種相對傳統的類型， 它受制于工作模式及硬件設備的多重制約;此外，表在很大程度上容易被腐蝕， 在一定程度上影響了讀卡的精確性[1]。短信表是當今較為新潮的智能水表，但有兩方面的不足：一是由于短信模塊功耗較高， 為了延長電池的使用時間， 短信表設計時采用每天上線一次的工作方式， 這樣會導致在表具上線時間以外發的短信，第二天表具才能回復;二是電源問題還沒有徹底解決， 水表本身需電池供電。目前市場上主流的智能遠程水表主要分為有線及無線兩大類[2?3]，它們實現了便捷抄表以及遠程控制水表的閥門操作， 但是，這種智能水表無法與家庭智能系統相連接，用戶不能及時了解到水表的使用狀況，可能會出現超額后斷水的情況，因此使用起來不是很方便。

針對以上方法的不足，本文提出一種基于窄帶物聯網的智能水表的設計方法，實現了智能采集數據信息、智能控制閥門開關、增加電池電量使用時間以及將智能水表連入家庭物聯網上傳水表信息給用戶端等多種優秀性能。

1 ?智能水表總體方案設計

智能水表整體方案設計圖如圖1所示，單片微控制器使用STM32L073單片機，采用專門設計的電池電量檢測電路來監測電池電量。閥門硬件驅動采用H橋式電路來控制電機正反轉，從而實現閥門開關控制，水表使用量采用中斷方式來讀取。智能水表的工作信息通過NB_IoT模塊發送給用戶端[4]，因此用戶端可以方便地看到水表的電池電量、用水量和閥門狀態等信息。

2 ?硬件電路設計

智能水表硬件部分設計分為電源管理電路設計、閥門硬件驅動電路設計、數據采集驅動電路設計、電池電量檢測電路設計和NB_IoT控制電路設計，下面對各部分電路設計進行詳細介紹。

2.1 ?電源管理電路設計

智能水表采用STM32L073單片機系統，具有超低功耗、外設豐富等特點[5?6]，適用于家庭物聯網設備。系統總電源采用5 V電源供電，但該單片機只能承受3.3 V電壓，因此本文設計了電源管理電路將5 V電源電壓轉化為3.3 V，給單片機系統供電。電源管理電路圖如圖2所示。

2.2 ?閥門硬件驅動電路設計

閥門開關驅動電路采用H橋式結構[7]，單片機使用兩個I/O輸出控制信號。單片機PA11輸出高電平，PA12輸出低電平時，Q2導通 Q1截止，電路左端輸出高電平，右端輸出低電平，此時電機正轉閥門被打開。反之，閥門被關閉。

單片機使用一個上拉的I/O作為閥門狀態檢測I/O口，當閥門打開時，會將單片機I/O電平拉低，否則單片機I/O保持高電平狀態，由此判斷閥門是打開或關閉狀態。閥門控制驅動電路圖如圖3所示。

2.3 ?數據采集驅動電路設計

單片機使用兩個上拉的I/O作為數據采集I/O口，其中一個I/O被配置為中斷模式。流體傳感器會帶動表齒輪轉動，當電表轉過一圈時，會拉低中斷模式的I/O口電平，從而產生中斷。然后單片機讀取另一個I/O口電平狀態，如果為高電平則檢測到水表已經轉了一圈。數據采集電路如圖4所示。

2.4 ?電池電量檢測電路設計

單片機使用一個I/O口來控制電池電量檢測電路的通斷，當BatVoltDetEn端口為高電平時，Q4導通，Vba_volt端口會輸出一個電壓值。單片機的ADC通道會檢測到這個電壓值[8]，并轉換成數字信號傳給單片機。電池電量檢測電路如圖5所示。

2.5 ?NB_IoT控制電路設計

智能水表使用WH?NB73 NB_IoT模塊和家庭物聯網進行數據上傳和下載，單片機使用串口與模塊進行通信。NB_IoT驅動電路如圖6所示。

3 ?軟件設計

軟件設計采用C語言進行開發，開發環境使用IAR集成開發環境[9?10]。智能水表軟件設計主要分為客戶端和水表通信幀格式設計以及單片機控制軟件設計兩部分。

3.1 ?數據幀格式

智能水表和客戶端通信數據幀長度為13 B，包括幀頭、幀尾、幀類型、CRC校驗、水表工作信息等。其中幀類型分為正常上傳數據幀和警告數據幀。智能水表與用戶端通信格式幀如圖7所示。

3.2 ?單片機軟件設計

單片機上電后先進行各模塊系統初始化，然后判斷30 min計時時間是否到達，如果到了就上傳一次水表用水量、電池電量等工作信息給用戶端。接下來依次判斷電池電量是否充足、水表齒輪是否轉完一圈、余額是否充足，如果電池電量不足或余額不足，則會發送警告幀給用戶端。最后會判斷一次閥門開關狀態，如果余額充足就會自動打開閥門。軟件設計流程圖如圖8所示。

4 ?測試結果

本文對NB_IoT模塊可靠性、警告幀和正常數據幀發送、閥門開關、水表所轉圈數、電池電量檢測功能進行了測試。測試時單片機I/O使用圖如圖9所示，測試結果如表1～表3所示。

測試結果：NB_IoT模塊能夠正常連接到運營商服務器，并上傳正確水表工作信息;水表閥門實現了自動打開和關閉;電池電壓檢測誤差在0.02 V左右，此誤差可以忽略不計;水表能夠精確讀取所轉圈數并計費。經過測試，本文設計的智能水表符合設計需求。

5 ?結 ?論

隨著控制、微電子、嵌入式和無線通信等技術的發展，使得家庭物聯網快速發展，智能家居產品也越來越豐富[10?12]。本文開發的基于窄帶物聯網的智能水表，通過NB_IoT模塊和家庭物聯網進行數據交互，實現了將水表用水量、電池電量等信息上傳給用戶，當余額不足或電池電量不足時，自動控制閥門關閉并上傳警告，以及當用戶充值后自動打開閥門等多種優秀功能，方便了用戶的使用。本設備待機時，NB_IoT模塊通過軟件設置成低功耗模式，減少了系統功耗，延長了電池使用時間。

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