基于雙簧管傳感器信息采集技術(shù)的智能水表系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

朱紹銘 陳曉東

【摘 要】為了解決傳統(tǒng)智能水表計(jì)費(fèi)不科學(xué)、計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)確、容易受到干擾等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于MSP430F413嵌入式芯片和雙簧管傳感器的智能水表系統(tǒng)。首先，對(duì)智能水表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括主控芯片MSP430F413作為核心處理器、電源模塊為系統(tǒng)供電、脈沖采集電路、閥門(mén)控制電路、報(bào)警電路模塊、通信基站模塊和LCD液晶顯示模塊等。然后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體硬件電路連接進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)和硬件功能設(shè)計(jì)說(shuō)明。最后，通過(guò)模塊化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能電表整體軟件流程設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】雙簧管傳感器;信息采集技術(shù);智能水表;系統(tǒng);設(shè)計(jì)

一、引言

隨著科技水平和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越深入到人們的生活當(dāng)中，其中以智能化為代表的各類(lèi)應(yīng)用最為突出。為了保障居民飲水的安全、繳費(fèi)快捷、支付多樣化等方面的效率，越來(lái)愈多的地區(qū)都采用智能化水表作為計(jì)費(fèi)的依據(jù)。智能水表實(shí)行了一家一戶(hù)水表和階梯計(jì)費(fèi)等功能，提高了水利部門(mén)的工作效率和管理效率。

二、智能水表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能水表在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要做了7部分：（1）主控單片機(jī)芯片采用三星公司的MSP430F413，它主要作為系統(tǒng)的核心完成數(shù)據(jù)的處理功能;（2）電源管理電路模塊：為智能電表系統(tǒng)所有的模塊提供整體的電壓輸出和供電;（3）脈沖采集電路：當(dāng)用戶(hù)用水時(shí)，傳感器采集到脈沖信號(hào)后將數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片，啟動(dòng)系統(tǒng)計(jì)費(fèi);（4）閥門(mén)控制電路模塊：當(dāng)用戶(hù)的充值額度用完后系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)實(shí)現(xiàn)停水功能，當(dāng)用戶(hù)充值后閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟提供供水模式;（5）報(bào)警電路模塊：當(dāng)用戶(hù)充值額度用至系統(tǒng)紅線(xiàn)時(shí)，自動(dòng)提供警示功能，提醒用戶(hù)盡快充值，防止停水;（6）MF1702通信基站模塊：為智能水表的遠(yuǎn)程抄表提供無(wú)線(xiàn)通信模塊，實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和讀取;（7）LCD液晶顯示：實(shí)時(shí)為用戶(hù)提供水表信息的顯示查看功能。

三、智能電表硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)智能水表整體設(shè)計(jì)模塊，該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括雙簧管傳感器數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)、無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)、LCD屏顯模塊和水表閥門(mén)電路控制設(shè)計(jì)等。

（一）雙簧管傳感器電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)水表的智能數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)控制功能，在水表信息脈沖信號(hào)采集上采用“1+1”模式的雙簧管傳感器來(lái)完成。該傳感器的工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，如果出現(xiàn)1個(gè)簧管收到用水信息時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)檢測(cè)另外一根簧管是否有用水信息;只有當(dāng)雙簧管同時(shí)工作的情況下，系統(tǒng)才執(zhí)行信號(hào)采集和用水計(jì)費(fèi)功能。雙簧管傳感器的設(shè)計(jì)避免了臨界點(diǎn)抖動(dòng)誤差或者人為磁鐵干擾造成智能水表計(jì)數(shù)誤差。

（二）無(wú)線(xiàn)通信模塊電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能水表的數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線(xiàn)通信的芯片采用FM1702SL，它是基于IEEE9001的自動(dòng)感知數(shù)據(jù)采集的芯片，同時(shí)數(shù)據(jù)傳感天線(xiàn)采用摩比公司的MIFARE。該無(wú)線(xiàn)通信模塊具備高級(jí)的加密算法，提供了較高的安全保證。無(wú)線(xiàn)通信的信號(hào)采集芯片和天線(xiàn)電路設(shè)計(jì)如圖所示。

四、智能電表軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證智能電表軟件系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)維護(hù)，軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的主控智能程序主要完成了系統(tǒng)初始化設(shè)置、電磁閥門(mén)控制狀態(tài)、傳感器信息采集狀態(tài)、用戶(hù)用水量超越紅線(xiàn)警示、電池電量警報(bào)和無(wú)線(xiàn)通信程序等。系統(tǒng)核心程序主要包括階梯計(jì)費(fèi)設(shè)計(jì)、電磁閥門(mén)控制程序、看門(mén)狗定時(shí)器警報(bào)程序和傳感器脈沖信號(hào)輸出程序等。子程序還包括智能IC卡的加密解密、LCD屏顯控制程序、系統(tǒng)中斷重啟程序等。

五、結(jié)語(yǔ)

本文采用MSP430F413做為數(shù)據(jù)處理主控芯片、雙簧管傳感器智能信息采集功能的水表系統(tǒng)。智能水表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要包括主控芯片MSP430F413作為核心處理器、電源模塊為系統(tǒng)供電、脈沖采集電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、閥門(mén)控制電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停水功能供水模式、報(bào)警電路自動(dòng)提供警示功能、MF1702通信基站提供無(wú)線(xiàn)通信實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳讀取和LCD液晶顯示實(shí)時(shí)查看等功能設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)智能水表計(jì)費(fèi)不科學(xué)、計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)確、容易受到干擾等問(wèn)題，具備一定的實(shí)際使用價(jià)值。

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