一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能水表設(shè)計(jì)

黃偉 彭曉宏 張明明 侯立剛 耿淑琴

關(guān)鍵詞： 智能水表; NB_IoT; 家庭物聯(lián)網(wǎng); 電源管理電路; 數(shù)據(jù)采集電路; 信息上傳

中圖分類號： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(yuǎn)程水表3種類型?？ㄊ剿硎且环N相對傳統(tǒng)的類型， 它受制于工作模式及硬件設(shè)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(dāng)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(shè)計(jì)時采用每天上線一次的工作方式， 這樣會導(dǎo)致在表具上線時間以外發(fā)的短信，第二天表具才能回復(fù);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(yuǎn)程水表主要分為有線及無線兩大類[2?3]，它們實(shí)現(xiàn)了便捷抄表以及遠(yuǎn)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(tǒng)相連接，用戶不能及時了解到水表的使用狀況，可能會出現(xiàn)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(lián)網(wǎng)的智能水表的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了智能采集數(shù)據(jù)信息、智能控制閥門開關(guān)、增加電池電量使用時間以及將智能水表連入家庭物聯(lián)網(wǎng)上傳水表信息給用戶端等多種優(yōu)秀性能。

1 ?智能水表總體方案設(shè)計(jì)

智能水表整體方案設(shè)計(jì)圖如圖1所示，單片微控制器使用STM32L073單片機(jī)，采用專門設(shè)計(jì)的電池電量檢測電路來監(jiān)測電池電量。閥門硬件驅(qū)動采用H橋式電路來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)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(fā)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(tài)等信息。

2 ?硬件電路設(shè)計(jì)

智能水表硬件部分設(shè)計(jì)分為電源管理電路設(shè)計(jì)、閥門硬件驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、電池電量檢測電路設(shè)計(jì)和NB_IoT控制電路設(shè)計(jì)，下面對各部分電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 ?電源管理電路設(shè)計(jì)

智能水表采用STM32L073單片機(jī)系統(tǒng)，具有超低功耗、外設(shè)豐富等特點(diǎn)[5?6]，適用于家庭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。系統(tǒng)總電源采用5 V電源供電，但該單片機(jī)只能承受3.3 V電壓，因此本文設(shè)計(jì)了電源管理電路將5 V電源電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V，給單片機(jī)系統(tǒng)供電。電源管理電路圖如圖2所示。

2.2 ?閥門硬件驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

閥門開關(guān)驅(qū)動電路采用H橋式結(jié)構(gòu)[7]，單片機(jī)使用兩個I/O輸出控制信號。單片機(jī)PA11輸出高電平，PA12輸出低電平時，Q2導(dǎo)通 Q1截止，電路左端輸出高電平，右端輸出低電平，此時電機(jī)正轉(zhuǎn)閥門被打開。反之，閥門被關(guān)閉。

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

2.3 ?數(shù)據(jù)采集驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)使用兩個上拉的I/O作為數(shù)據(jù)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(zhuǎn)動，當(dāng)電表轉(zhuǎn)過一圈時，會拉低中斷模式的I/O口電平，從而產(chǎn)生中斷。然后單片機(jī)讀取另一個I/O口電平狀態(tài)，如果為高電平則檢測到水表已經(jīng)轉(zhuǎn)了一圈。數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

2.4 ?電池電量檢測電路設(shè)計(jì)

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

2.5 ?NB_IoT控制電路設(shè)計(jì)

智能水表使用WH?NB73 NB_IoT模塊和家庭物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和下載，單片機(jī)使用串口與模塊進(jìn)行通信。NB_IoT驅(qū)動電路如圖6所示。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用C語言進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境使用IAR集成開發(fā)環(huán)境[9?10]。智能水表軟件設(shè)計(jì)主要分為客戶端和水表通信幀格式設(shè)計(jì)以及單片機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 ?數(shù)據(jù)幀格式

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

3.2 ?單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)上電后先進(jìn)行各模塊系統(tǒng)初始化，然后判斷30 min計(jì)時時間是否到達(dá)，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(zhuǎn)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(fā)送警告幀給用戶端。最后會判斷一次閥門開關(guān)狀態(tài)，如果余額充足就會自動打開閥門。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

4 ?測試結(jié)果

本文對NB_IoT模塊可靠性、警告幀和正常數(shù)據(jù)幀發(fā)送、閥門開關(guān)、水表所轉(zhuǎn)圈數(shù)、電池電量檢測功能進(jìn)行了測試。測試時單片機(jī)I/O使用圖如圖9所示，測試結(jié)果如表1～表3所示。

測試結(jié)果：NB_IoT模塊能夠正常連接到運(yùn)營商服務(wù)器，并上傳正確水表工作信息;水表閥門實(shí)現(xiàn)了自動打開和關(guān)閉;電池電壓檢測誤差在0.02 V左右，此誤差可以忽略不計(jì);水表能夠精確讀取所轉(zhuǎn)圈數(shù)并計(jì)費(fèi)。經(jīng)過測試，本文設(shè)計(jì)的智能水表符合設(shè)計(jì)需求。

5 ?結(jié) ?論

隨著控制、微電子、嵌入式和無線通信等技術(shù)的發(fā)展，使得家庭物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，智能家居產(chǎn)品也越來越豐富[10?12]。本文開發(fā)的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能水表，通過NB_IoT模塊和家庭物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了將水表用水量、電池電量等信息上傳給用戶，當(dāng)余額不足或電池電量不足時，自動控制閥門關(guān)閉并上傳警告，以及當(dāng)用戶充值后自動打開閥門等多種優(yōu)秀功能，方便了用戶的使用。本設(shè)備待機(jī)時，NB_IoT模塊通過軟件設(shè)置成低功耗模式，減少了系統(tǒng)功耗，延長了電池使用時間。

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