一種自供電智能水表的設計

摘 要：現有智能水表多數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、不利于環境保護等問題。基于此，設計了一種無需消耗外界能源，由微型水輪發電機實現自供電的智能水表。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，可將環境中的能量收集起來為智能水表系統供電，實現了環保節能的效果；同時，可通過無線通信技術將水表的數據遠程傳輸到供水公司或用戶的設備上，免去了手動抄表的麻煩，實現了遠程監測和管理。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，實現自供電和遠程數據傳輸，結構簡單，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，供水網絡是極為重要的一部分，如何有效管理供水網絡是建設智慧城市所面臨的關鍵挑戰。水表是管理供水系統的一項重要儀器，用以計量從公共供水系統向住宅或商業樓宇供給的水量[1]。傳統的機械水表雖具有成本低、結構可靠的特點，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據，這一過程需要相當大的操作成本，且耗時、容易出錯。隨著大數據與物聯網技術的發展，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]。現有的智能水表雖然具有高精度、遠程監測、低功耗運行等優點，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，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電機實現自供電的智能水表。該智能水表在不消耗外界能源的情況下，實現自供電，避免了傳統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電機，它們毗鄰布置在一根水管上，由電線相接。微型水輪發電機產生的電經電源管理模塊調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。霍爾水流量傳感器將收集到的水流量信息傳輸給AT89S52單片機，經單片機處理后再由其外接的NB-IoT芯片與NB-IoT基站連接后發送至用戶終端接收器上。

2 水表整體結構設計

自供電智能水表的整體結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型微型水輪發電機，該發電機可產生12 V的穩壓直流電，足夠保證智能水表的用電需求。所選用的微型水輪發電機結構如圖2所示。

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

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，對葉輪產生驅動力，葉片克服摩擦力矩和流體阻力從而旋轉。當葉輪轉子轉動時，會產生不同磁極的旋轉磁場，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子的轉速密切相關，而葉輪的轉速與水流量成正比，因此可以通過傳感器在單位時間內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，通過水輪轉動使磁極變化觸發霍爾模組產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送模塊將水流量傳感器收集的數據傳輸到相關基站，從而實現遠程抄表。智能水表的無線通信是利用無線技術實現水表與用戶手機、數據中心等設備之間數據傳輸的一種通信方式，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測的優點，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點，本設計采用的無線通信系統可分為感知層、傳輸層、平臺層和應用層四部分。智能水表感知層所要實現的功能是收集用水量數據；傳輸層需實現通信模塊與NB-IoT基站連接，將數據傳輸至云平臺；平臺層所要實現的功能是接收從水表傳輸來的數據并存儲；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據。所設計的通信系統結構如圖3所示。

無線通信系統結構的傳輸層涉及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據。本設計選用的NB-IoT模組是中國移動的M5310A。M5310A芯片是一款工業級多頻段NB-IoT模組芯片，內嵌MQTT/LwM2M/COAP等多種傳輸協議及擴展AT指令，通過使用簡單的AT指令即可實現 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 軟件系統設計

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

3.1 系統初始化模塊設計

單片機是智能水表軟件系統的控制核心，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數據相關的寄存器以及I/O口的初始化；然后對串口重要參數進行初始化，主要包括起始位、停止位、字長以及收發模式；最后進行串口中斷的初始化，設置中斷源，使發生相應事件時有相應的中斷子程序來處理事件，串口即可完成數據的發送和接收工作，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，因此數據采集程序的設計采用外部脈沖信號觸發中斷的方式。霍爾水流量傳感器將產生的脈沖信號傳遞給單片機時觸發中斷，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）。單片機根據產生的脈沖數和相應的系數計算后可得出用水量。將計算得到的用水量存儲到FLASH中用于后續信息的傳輸和日后查閱數據。

3.3 通信系統模塊設計

本文設計的通信系統模塊的主要功能為定時發送水流量信息。為了實現水流量信息的定時傳輸，該通信系統模塊的觸發采用定時器中斷的方式。每當設定的一小時計時時間結束后，單片機便會觸發一次中斷。如圖6所示，中斷觸發后，單片機首先申請加入NB-IoT網絡，隨后通過由串口連接的NB-IoT模組發送包含水流量信息的數據，該過程主要包括命令的構建、發送和錯誤處理。命令構建的過程主要是將水流量數據按照一定的格式構成符合NB-IoT協議要求的數據包。在數據包構建完成后，單片機將通過串口發送命令并進行異常數據的處理，以確保數據的準確傳輸。最終，通過上述流程，智能水表將能夠實現高效、精確、穩定的水流量信息定時傳輸。

4 結 語

針對現有水表需要消耗外部能源、無法實現遠程抄表等缺點，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電機收集能量為整個水表系統供電，并采用NB-IoT通信技術將水表數據遠程傳輸到供水公司或用戶的設備，實現了在無需外界能源供應的情況下實時監測用戶用水信息，避免了人工抄表，提高了供水公司的管理效率。該智能水表實現了自供電和遠程數據傳輸，結構簡單，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，從事智能農機研究。

邢春曉，男，講師，從事智能農機研究。

收稿日期：2023-04-19 修回日期：2023-05-15

基金項目：自治區級大學生創新項目（S202310758026）