基于NB-IoT 智能遠(yuǎn)傳水表的研制

劉玉潔，李漢榮，陳錦

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東珠海，519090）

0 引言

水表是城市供水企業(yè)中使用最廣、數(shù)量最多的計量儀表。長時間以來，水務(wù)公司對水表用戶抄表采用傳統(tǒng)的人工抄表方式，不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且不能及時準(zhǔn)確更新用戶的用水情況[1-2]。

因此，采用智能遠(yuǎn)傳水表是城市現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)傳輸方式，遠(yuǎn)傳技術(shù)可分為有線遠(yuǎn)傳和無線遠(yuǎn)傳。有線遠(yuǎn)傳需要鋪設(shè)長距離的通信線，容易造成施工上的不便和困難。而無線遠(yuǎn)程方式只需要在原有的儀表上技能型改造即可。無線技術(shù)如WIFI、藍(lán)牙、Zigbee、UWB 等，這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但最突出的矛盾在于低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸之間，兩者難以同時兼顧。作為一種5G 時代新興的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)低功耗廣域網(wǎng)LPWAN，其具備容量大、覆蓋范圍廣、穿透力強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，雖然數(shù)據(jù)傳送速率較低，但已經(jīng)可以滿足如智能抄表等小數(shù)據(jù)定期上報的應(yīng)用場景。目前主流的LPWAN 技術(shù)又可分為工作在非授權(quán)頻段的LoRa 和授權(quán)頻段NB-IoT 的兩類技術(shù)。本項目主要研究NB-IoT 技術(shù)在智能水表中的具體應(yīng)用。

1 總體設(shè)計思路

本項目系統(tǒng)總體框圖設(shè)計如圖1 所示，其中終端硬件部分主要由主控模塊STM32、水流量監(jiān)測模塊、閥門控制模塊和NB-IoT 通信模塊組成。終端采用NB-IoT 技術(shù)對智能水表采集的水流量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脚c中移物聯(lián)OneNET 云平臺。云平臺可實(shí)時監(jiān)測異常數(shù)據(jù)，幫助水務(wù)公司實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精準(zhǔn)化、智能化管理。本設(shè)計最大的優(yōu)點(diǎn)在于低功耗設(shè)計，首先體現(xiàn)在各個模塊芯片的選擇都是低功耗低成本的器件，然后合理優(yōu)化系統(tǒng)的工作流程，在軟件設(shè)計中采用NB 模塊斷電和喚醒的工作機(jī)制。當(dāng)系統(tǒng)需要用到NB 模塊時才為其供電，其他時刻處于斷電狀態(tài)，有效地降低了系統(tǒng)功耗[3]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計

■2.1 水流量監(jiān)測模塊設(shè)計

改造傳統(tǒng)水表，在水表內(nèi)部安裝磁鐵塊和霍尼韋爾傳感器SL351LT。SL351LT 工作原理和靈敏度同傳統(tǒng)的干簧管，當(dāng)磁鐵靠近SL351LT 時，SL351LT 內(nèi)部簧片吸合；當(dāng)磁鐵離開SL351LT 時，SL351LT 內(nèi)部簧片斷開，從而輸出計量脈沖。但其外形更小巧、運(yùn)行更持久、性能更可靠，且電流消耗低于500 毫微安[4]。智能水表中當(dāng)水流帶動葉輪轉(zhuǎn)動，水表指針轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一周，磁鐵經(jīng)過SL351LT 一次，便產(chǎn)生一個脈沖，最終根據(jù)脈沖的數(shù)量得用水量[5]。為提高計量的精確度，本設(shè)計采用了雙SL351LT 采樣，如圖2 所示。兩個SL351LT 發(fā)出兩個脈沖信號輸入STM32 主控芯片，當(dāng)兩個輸入端依次有脈沖輸入時，水表判斷為一次有效采用，完成一次計數(shù)。當(dāng)只閉合一個SL351LT 時，水表不計量，從而解決水表因抖動而誤發(fā)信號的問題。

圖2 水流量監(jiān)測電路原理圖

■2.2 主控模塊

主控模塊的主要進(jìn)行水流量數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸。由于系統(tǒng)較為簡單，主控芯片選用了意法半導(dǎo)體有限公司的STM32 L051C8T6，該微控制器基于Cortex-M0 內(nèi)核。M0 內(nèi)核的應(yīng)用場景大多是高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用。STM32L051C8T6 擁有的豐富資源，幾乎不需要擴(kuò)展太多的外圍電路就能滿足本設(shè)計要求。STM32L051C8T6 主要特點(diǎn)如下[6]：

（1）超低功耗工作平臺

工作電壓為1.65～3.6V。具有4 種低功耗工作狀態(tài)，2 種喚醒狀態(tài)。在3.3V 供電下，正常工作狀態(tài)的消耗僅為88μA/MHz,而待機(jī)狀態(tài)的電流可以低至0.27μA。

（2）存儲空間

它內(nèi)置64K 字節(jié)的Flash,8K 字節(jié)的SRAM,2K 字節(jié)的EEPROM，其中Flash 和EEPROM 都應(yīng)用了錯誤檢查和糾正技術(shù)。另外還有20byte 的備用寄存器，保證了程序的高效運(yùn)行。

（3）豐富的模擬外設(shè)

12 位16 通道的的ADC，有9 個定時器，其中有2 個16 位的超低功耗定時器，有I2C、SPI、USART 等通信標(biāo)準(zhǔn)接口。

■2.3 NB-IoT 通信模塊

NB-IoT 通信模塊主要實(shí)現(xiàn)水表終端和物聯(lián)網(wǎng)云平臺的信息交互，本系統(tǒng)通信模塊電路圖如圖3 所示，由NB-IoT模塊、SIM 卡座、電源電路、串口電平轉(zhuǎn)換電話和復(fù)位電路組成[7]。NB-IoT 通信模塊通過串口與主控模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，可將通信模塊的RXD、TXD 連接到STM32L051C8T6的串口對應(yīng)管腳進(jìn)行串口通信。

圖3 NB—IoT 通信模塊電路原理圖

其中NB-IoT 模塊選用上海移遠(yuǎn)公司基于聯(lián)發(fā)科MT2625 芯片平臺研發(fā)的BC26，它可同時支持全球頻段，且具有超小體積，尺寸僅為17.7×15.8×2.0mm，支持2.1V～3.63V 的低供電電壓，采用易于焊接的LCC 封裝，能最大限度滿足智能水表這一類低功耗緊湊型終端設(shè)備的需求。BC26 兼容移遠(yuǎn)通信GSM/GPRS 系列的M26 模組，方便現(xiàn)有的2G 客戶快速、靈活地切換至NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)。同時BC26 還提供包括UART、SPI、ADC 等豐富的外部接口，以及TCP、CoAP、MQTT 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具備OpenCPU 功能，可接入OneNET、EasyIoT、OceanConnect 等物聯(lián)網(wǎng)云平臺[8]。

本系統(tǒng)中的SIM 卡接口電路選用8-pin 的MINISIM 卡座，電路原理圖如圖4 所示。電源、數(shù)據(jù)、時鐘、復(fù)位信號分別對的是SIM_VCC、SIM_DATA、SIM_CLK、SIM_RST，均由BC26 模塊提供。天線采用外接方式，駐波比低于2，天線增益為1dB。

圖4 SIM 卡接口電路原理圖

■2.4 閥門控制模塊

為了實(shí)現(xiàn)通過云平臺或者智能終端應(yīng)用對水流開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，本表在傳統(tǒng)水表基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，增加電機(jī)驅(qū)動的水閥開關(guān)。當(dāng)云平臺或者智能終端應(yīng)用發(fā)送控制指令后，BC26 模塊接收相應(yīng)的下行報文，再發(fā)送給主控模塊，STM32L051C8T6 芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)水閥的開關(guān)。本項目中電機(jī)驅(qū)動芯片采用DRV8832DGV。該芯片能實(shí)現(xiàn)電動機(jī)閥門的安全啟動，以及設(shè)備的過壓、限流、過溫保護(hù)，還可通過故障輸出引腳向控制器發(fā)出故障信號[9]。它的正常工作電壓為2.75～6V，輸出電流可達(dá)1A。為確保電池有更長的使用壽命并保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定，DRV8832 內(nèi)部提供PWM 電壓控制模式。本系統(tǒng)的閥門電機(jī)電源線與DRV8832 的OUT1 和OUT2 端口相連，而DRV8832 的輸入端則連接STM32L051C8T6 的PB6 和PB5，從而實(shí)現(xiàn)GPIO 通過控制電平的高低來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

■2.5 電源模塊

由于水表量多，且分布廣泛，為方便用戶，減少勤更換電池麻煩。本系統(tǒng)采用大容量鋰電池供電方式，電池型號為武漢瀚興日月ER26500M，供電電壓為3.6V，容量為9000mAh。因?yàn)镾TM32L051C8T6 芯片具有出色的電源管理和功耗控制功能，可以使智能水表具有很低的休眠功耗。采用一節(jié)ER26500 可以使智能水表工作達(dá)1 年以上。同時由于沒有設(shè)計再充電電路,鋰電池使用到一定時間,將無法正常為系統(tǒng)提供電能。為解決制約智能水表電源工作的瓶頸問題,本設(shè)計設(shè)置使用超級電容作為備用電源，同時在軟件設(shè)計中實(shí)現(xiàn)電池電量監(jiān)測，從而有效減少無法計費(fèi)、無法可靠關(guān)閉水閥等情況出現(xiàn)。

圖5 電源電路原理圖

3 軟件設(shè)計

軟件主程序流程圖如圖6 所示。整個系統(tǒng)硬件設(shè)計采用低功耗設(shè)計，MCU 采用低功耗配置，平時進(jìn)入低功耗模式，通過RTC 每50ms 喚醒一次，采集水表脈沖數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成水表讀數(shù)存儲在MCU 的EEPROM 中，MCU 打開內(nèi)部實(shí)時時鐘，與設(shè)定的定時上傳時間進(jìn)行匹配，若時間一致，立即打開NB 模塊供電，開機(jī)，NB 模塊初始化配置，MCU 實(shí)時時鐘與基站時鐘進(jìn)行校時，獲取當(dāng)前NB 模塊的信號值，供電電池電壓，當(dāng)前水表累計讀數(shù)，打包所需水表參數(shù)成JSON 格式，連接ONENET 平臺，上傳打包好的數(shù)據(jù)，上傳完成后等待ONENET 平臺回復(fù)應(yīng)答指令，整個上傳過程結(jié)束。關(guān)閉外設(shè)進(jìn)入低功耗模式，等待下次上傳定時時間。

圖6 主程序流程圖

■3.1 系統(tǒng)初始化

當(dāng)智能水表上電復(fù)位后，主控模塊STM32L051C8T6進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括初始化時鐘、GPIO、串口，讀取主控芯片EEPROM 中的水表配置參數(shù),如當(dāng)前水表脈沖數(shù)等。同時將PB13、PB14 設(shè)置為輸入引腳，用于采集水流量計量脈沖。當(dāng)未到達(dá)采樣脈沖數(shù)據(jù)或者上傳數(shù)據(jù)時間時，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗睡眠模式。

■3.2 NB-IoT 模塊入網(wǎng)

當(dāng)達(dá)到設(shè)定上傳時間時，NB 模塊啟動工作。第一步需要成功接入NB 網(wǎng)絡(luò)，BC26 模塊入網(wǎng)的對接流程見圖7。BC26 模組上電復(fù)位后，通過執(zhí)行AT 指令，即可完成水表終端與NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)對接。首先通過AT 指令判斷MCU 能否與NB 模塊進(jìn)行正常通信，如果可以則配置NB 模塊，包括設(shè)置通信波特率，通信頻段，打開射頻功能，然后查詢SIM卡卡號，獲取當(dāng)前NB 網(wǎng)絡(luò)信號值，信號正常的情況下就可以通過BC26 附著到NB 網(wǎng)絡(luò)。

圖7 BC26 模塊入網(wǎng)的對接流程

■3.3 數(shù)據(jù)上傳云平臺

主控芯片STM32L051C8T6 將采集的水流量數(shù)據(jù)解析后通過串口發(fā)送給BC26，BC26 通過COAP(Constrained Application Protocol)協(xié)議將水流量數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。本系統(tǒng)使用的是云平臺為中移物聯(lián)的OneNET。OneNET 是中國移動推出的定位為PaaS 服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺，平臺提供了豐富的API，能幫助用戶通過簡單的調(diào)用，使得終端設(shè)備快速接入。智能水表屬于NB-IoT 領(lǐng)域下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,要實(shí)現(xiàn)水表終端與OneNET 平臺通信，應(yīng)用層需采用LwM2M(Lighetweight Machine-To-Machine)協(xié)議，它是一種基于UDP 協(xié)議之上的具有重傳機(jī)制的輕量級M2M 協(xié)議，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。LwM2M協(xié)議可通過引導(dǎo)接口、客戶端注冊接口、客戶管理與服務(wù)實(shí)現(xiàn)接口、信息上報接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[10]。BC26 模塊通過AT 指令采用LwM2M 協(xié)議接入OneNET 云平臺流程如圖8 所示。

圖8 BC26 接入云平臺流程

4 系統(tǒng)測試

智能水表外觀如圖9 所示。水表電源端與萬用表串聯(lián)，測量水表終端待機(jī)狀態(tài)以及工作狀態(tài)下的電流。測得待機(jī)狀態(tài)下的電流為7.89μA，如圖10 所示；系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下的工作電流為30mA;假設(shè)水表每個月采集并發(fā)送數(shù)據(jù)10次，每次采集數(shù)據(jù)到發(fā)送數(shù)據(jù)需要的時間在2s 以內(nèi)。因此，采用9000mAh 左右的電池并考慮20%的功率損耗，在理論上可以使用一年，實(shí)現(xiàn)了低功耗系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖9 智能水表外觀

圖10 智能水表待機(jī)電流

系統(tǒng)設(shè)置每隔15 分鐘上傳水流量數(shù)據(jù)至云平臺一次。服務(wù)器通過API 接口將水流量數(shù)據(jù)推送到OneNET 云平臺，云平臺以折現(xiàn)的方式展示實(shí)時用水情況，如圖11 所示。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，用戶可以在前端網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，且歷史數(shù)據(jù)不會丟失。此外，在OneNET 云平臺還可以添加報警觸發(fā)器，當(dāng)智能水表上傳到云平臺的水流量參數(shù)高于或低于設(shè)定閾值會進(jìn)行報警。

圖11 OneNET 云平臺監(jiān)控數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

為了適應(yīng)智慧城市智能抄表管理的需求，本文設(shè)計開發(fā)了一套基于STM32L051C8T6 和NB-IoT 通信模塊BC26 的智能遠(yuǎn)傳水表。該系統(tǒng)利用嵌入式和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以通過PC 等終端遠(yuǎn)程采集水表水流量數(shù)據(jù)，同時可及時獲取異常報警信息，方便水務(wù)公司實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精準(zhǔn)化、智能化管理。測試結(jié)果表明，該智能水表實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程低功耗數(shù)據(jù)采集，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。