基于自主計(jì)量芯片與NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)智能水表系統(tǒng)

龐應(yīng)龍，吳文彬，曹廣忠

（1.深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.廣東省電磁控制與智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060）

0 引 言

面向設(shè)備接入的低功耗廣域網(wǎng)迅速發(fā)展，結(jié)合低功耗廣域網(wǎng)進(jìn)行水流量實(shí)時采集和無線傳輸?shù)闹悄芩碚谥鸩饺〈蚋脑熘鴤鹘y(tǒng)水表，有效解決了傳統(tǒng)抄表方式普遍存在的精度低、費(fèi)時費(fèi)力等問題。低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)主要分為兩類：非授權(quán)頻段技術(shù)，如遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio,LoRa）；授權(quán)頻段技術(shù)，如窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow BandInternet of Things,NB-IoT）。與LoRa相比，NB-IoT技術(shù)具有很強(qiáng)的覆蓋度與穿透力，且具有低成本、低功耗、廣覆蓋、支持海量連接和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于單次傳輸少量數(shù)據(jù)的智能水表場景。

基于NB-IoT技術(shù)的智能水表能實(shí)時采集并無線傳輸水流量信息，可輔助供水公司對不同智能水表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和智能管理。2017年，華為、中國電信與深圳水務(wù)集團(tuán)聯(lián)合發(fā)布全球首個基于NB-IoT技術(shù)的智慧水務(wù)商用項(xiàng)目。因此，將水表與NB-IoT技術(shù)結(jié)合具有廣闊的應(yīng)用前景。

在水表上增加計(jì)量模塊是實(shí)現(xiàn)水表自動化讀數(shù)的重要一步。文獻(xiàn)[8-9]基于圖像識別技術(shù)和4G模塊，將大量的圖片數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)水流量的計(jì)量。但是，圖像識別的結(jié)果往往會受到強(qiáng)光、弱光、遮擋、不完整等外部因素的影響，而且4G模塊價格普遍比NB-IoT模塊貴。

文獻(xiàn)[10-12]基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)了智能水表抄表系統(tǒng)的設(shè)備端，但未實(shí)現(xiàn)水流量監(jiān)控和可視化功能的應(yīng)用端。文獻(xiàn)[13-15]為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了APP或上位機(jī)應(yīng)用端軟件，但APP和上位機(jī)軟件與硬件平臺存在兼容性差、不便管理等問題。與APP和上位機(jī)相比，Web應(yīng)用可為用戶省去軟件下載和安裝的過程，突破軟件運(yùn)行的硬件限制，同時可供多個用戶訪問同一個Web應(yīng)用程序。當(dāng)前，Web應(yīng)用已被廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)的可視化和管理、礦山廢石輸送監(jiān)控系統(tǒng)、智能設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)等場景。

針對上述不足，本文基于自主設(shè)計(jì)的計(jì)量芯片模塊及NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型物聯(lián)網(wǎng)智能水表系統(tǒng)，結(jié)合WebSocket和Web技術(shù)開發(fā)了可進(jìn)行水流量實(shí)時顯示和監(jiān)控的Web應(yīng)用，解決了智能水表從水流量采集、無線傳輸?shù)娇梢暬膯栴}。

1 總體方案設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)可劃分為感知識別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層和綜合應(yīng)用層。本文基于上述4層架構(gòu)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)智能水表系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

感知識別層由設(shè)備端的主控電路、NB-IoT模塊和智能水表組成。智能水表測量的水流量通過串口發(fā)送給主控電路，主控電路通過AT指令控制NB-IoT模塊接入網(wǎng)絡(luò)并上傳水流量信息，NB-IoT模塊將水流量信息發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的協(xié)議為MQTT。

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層包括通信基站和通信服務(wù)器，水流量傳輸途徑依次為NB-IoT模塊、通信基站和通信服務(wù)器，最后到達(dá)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

管理服務(wù)層為阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，在平臺上注冊水表產(chǎn)品并在該產(chǎn)品下創(chuàng)建智能水表設(shè)備，在平臺上可對每臺智能水表設(shè)備進(jìn)行管理。

綜合應(yīng)用層包括Tomcat服務(wù)器和Web應(yīng)用服務(wù)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時接收和Web實(shí)時顯示功能，后端程序使用Java語言開發(fā)，通過Java庫接口調(diào)用高級消息隊(duì)列協(xié)議（AMQP）實(shí)現(xiàn)水流量信息從阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺到Tomcat服務(wù)器的實(shí)時傳輸。前端Web頁面使用超文本標(biāo)記語言（HTML），前端與后端之間借助jQuery庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，Tomcat服務(wù)器通過WebSocket協(xié)議實(shí)時更新Web頁面顯示的水流量。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)備端的硬件包括智能水表中基于自主芯片設(shè)計(jì)的計(jì)量模塊、主控電路、NB-IoT模組和電源，其硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)備端硬件架構(gòu)

2.1 智能水表計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

計(jì)量模塊的核心器件為自主設(shè)計(jì)的Au2001傳感器芯片。Au2001可感知并計(jì)量水表金屬轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，原理如圖3所示。計(jì)量模塊工作電壓為2.8～3.6 V，分辨率為0.25 L，精度為±1 L，正常工作速率范圍為3～9 000 r/h，平均功耗低于4.8 Ua，采用串口通信方式，具有克服高斯靜磁場在模塊周邊運(yùn)行或靜置時產(chǎn)生的干擾，并克服NB-IoT產(chǎn)生的電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)量模塊包含6個引腳接口，分別為電源V（VCC）和G（GND）、串口數(shù)據(jù)接收（R）和數(shù)據(jù)發(fā)送（T）、調(diào)試引腳（D）和復(fù)位引腳（S），如圖4所示。

圖3 Au2001傳感器芯片原理

圖4 計(jì)量模塊引腳接口

在工作狀態(tài)下，如果計(jì)量模塊檢測到水流量的變化超過0.25 L時，就會通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，T引腳向主板MCU發(fā)送包含水流量的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀包括幀頭、功能碼、4 B數(shù)據(jù)和幀尾，格式見表1所列。

表1 計(jì)量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式

2.2 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)

主控電路以STM32F103單片機(jī)作為主控制器，供電電壓為+3.3 V，配有低功耗通用異步接收傳輸接口，可工作在休眠模式，允許全雙工串口通信，具有功耗低等優(yōu)點(diǎn)。NBIoT模組采用具有高性能、低功耗優(yōu)點(diǎn)的BC26模塊，供電電壓為+3.3 V，支持全雙工串口通信，可由主控制器通過串口將水流量信息上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。智能水表工作電壓為+3.3 V，內(nèi)部集成測量水流量的計(jì)量模塊，水流量以ASCII字符的格式通過串口傳輸至單片機(jī)。電源供電方式為USB接口供電，同時為主控電路、BC26模塊和智能水表供電。

設(shè)備端硬件電路如圖5所示。電路包括BC26模塊和智能水表的供電電路、串口通信電路，及STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)和電源供電電路。

圖5 設(shè)備端硬件電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括智能水表設(shè)備端主控軟件和應(yīng)用端軟件兩部分。應(yīng)用端包括數(shù)據(jù)傳輸和Web應(yīng)用兩部分。設(shè)備端主控軟件執(zhí)行硬件初始化操作，具有聯(lián)網(wǎng)通信和控制BC26模塊通過MQTT協(xié)議將水流量信息上傳的功能。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺將接收的數(shù)據(jù)通過AMQP協(xié)議推送至Tomcat服務(wù)器，Tomcat服務(wù)器提取水流量信息并通過WebSocket協(xié)議實(shí)時更新Web頁面上水流量的顯示。

3.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

3.1.1 消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議

消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）是構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議的基于發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）模式的輕量級應(yīng)用層通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。在MQTT消息模型中，發(fā)布者、訂閱者和代理是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間通信的基本元素。本文使用MQTT協(xié)議完成水表設(shè)備端包含水流量JSON數(shù)據(jù)向阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的傳輸。MQTT協(xié)議框架如圖6所示。

圖6 MQTT協(xié)議框架

3.1.2 高級消息隊(duì)列協(xié)議

高級消息隊(duì)列協(xié)議（Advanced Message Queuing Protocol,AMQP）是一種應(yīng)用層協(xié)議。AMQP的框架包括消息代理、虛擬主機(jī)、生產(chǎn)者、消費(fèi)者、消息體、交換機(jī)、消息隊(duì)列，如圖7所示。生產(chǎn)者/消費(fèi)者與消息代理通過TCP建立Connection連接，消費(fèi)者與消息代理在Connection的基礎(chǔ)上建立多個進(jìn)行消息通信的Channel，消息代理按照路由規(guī)則將消息發(fā)送至消息隊(duì)列。

圖7 AMQP框架

本系統(tǒng)采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的AMQP服務(wù)完成將水流量推送至Tomcat服務(wù)器的過程。

3.1.3 WebSocket協(xié)議

WebSocket是一種支持服務(wù)器與客戶端TCP進(jìn)行全雙工通信的協(xié)議。該協(xié)議允許服務(wù)器主動向客戶端推送數(shù)據(jù)，客戶端與服務(wù)器只需一次握手便能建立連續(xù)有效的連接。本文系統(tǒng)中的每個Web頁面單獨(dú)與Tomcat服務(wù)器建立WebSocket連接，接收來自頁面的控制指令并實(shí)現(xiàn)水流量到Web頁面的實(shí)時推送功能。本文設(shè)計(jì)的WebSocket服務(wù)程序流程如圖8所示。

圖8 WebSocket服務(wù)程序流程

3.2 設(shè)備端主控軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備端主控軟件主要圍繞低功耗主控芯片STM32F103、BC26模塊和智能水表設(shè)計(jì)。軟件程序在Keil平臺采用C語言開發(fā)。設(shè)備端主控軟件程序流程如圖9所示。

圖9 設(shè)備端主控軟件程序流程

設(shè)備端主控程序首先進(jìn)行STM32F103單片機(jī)外設(shè)硬件的初始化，包括系統(tǒng)時基設(shè)置、系統(tǒng)時鐘配置和串口通信的初始化。STM32F103通過AT指令與BC26模塊通信，實(shí)現(xiàn)控制BC26模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。BC26模塊工作程序流程如圖10所示。在空閑狀態(tài)下，BC26模塊自動進(jìn)入省電模式，處于等待喚醒狀態(tài)，STM32F103單片機(jī)通過串口間隔1 s發(fā)送AT指令喚醒BC26模塊。

圖10 BC26模塊工作程序流程

控制BC26模塊的主要AT指令及其功能描述依次見表2所列。

表2 主要AT指令及功能描述

3.3 應(yīng)用端軟件設(shè)計(jì)

對本文系統(tǒng)設(shè)備端進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的平臺為阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，能接收阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺推送數(shù)據(jù)的本地服務(wù)器為Tomcat服務(wù)器。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云，規(guī)則引擎和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端微系統(tǒng)提供了方便快捷的設(shè)備管理能力，支持模型定義、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲等。在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，同種類型的設(shè)備被抽象成一種產(chǎn)品進(jìn)行管理，因此可以在平臺的設(shè)備管理模塊中創(chuàng)建智能水表產(chǎn)品，在產(chǎn)品中可為每一臺智能水表設(shè)備端創(chuàng)建設(shè)備模型，從而完成智能水表在物聯(lián)網(wǎng)平臺的創(chuàng)建和管理。智能水表在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺上的設(shè)備詳情如圖11所示。

圖11 智能水表在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)備詳情

Tomcat是Apache提供的一款運(yùn)行在Java環(huán)境下開源和免費(fèi)的Web應(yīng)用服務(wù)器，支持Servlet和JSP技術(shù)。Tomcat服務(wù)器運(yùn)行在已配置好Java環(huán)境的Ubuntu操作系統(tǒng)中，調(diào)用目錄下的start.sh和shutdown.sh腳本文件可以啟動和關(guān)閉服務(wù)器。修改Tomcat服務(wù)器conf目錄下的server.xml配置文件，可以改變客戶端的域名和Web應(yīng)用的訪問路徑，如圖12所示。name表示訪問的域名為pyl，Web應(yīng)用的訪問路徑appBase為/mnt/hgfs/iot_pyl。

圖12 Tomcat域名和訪問路徑

本文系統(tǒng)中Web應(yīng)用完成了與Tomcat服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和實(shí)時顯示水流量數(shù)據(jù)兩項(xiàng)任務(wù)。Web頁面采用超文本標(biāo)記語言（HTML）開發(fā)，通過jQuery庫的WebSocket模塊與Tomcat建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。采用echart.js庫將水流量進(jìn)行可視化處理，利用柱狀圖和曲線圖實(shí)現(xiàn)水流量的動態(tài)實(shí)時可視化顯示。借助WebSocket的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，在頁面上顯示W(wǎng)ebSocket和AMQP的連接狀態(tài)、當(dāng)前時刻的水流量以及阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺推送的JSON格式報(bào)文。報(bào)文的內(nèi)容包括設(shè)備類型、設(shè)備名稱、ID號、水流量、推送時間等。

4 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)中智能水表、STM32最小系統(tǒng)、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺和Web應(yīng)用是否正常運(yùn)行，需要對設(shè)備端的智能水表水流量采集、水流量上傳及推送、Web應(yīng)用頁面訪問及數(shù)據(jù)可視化顯示和系統(tǒng)水流量采集4部分進(jìn)行測試。

為模擬智能水表的真實(shí)工作場景，選擇風(fēng)扇作為水流動力源，風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)作為模擬驅(qū)動水表計(jì)量儀器轉(zhuǎn)動的水流，從而構(gòu)成一個完整的智能水表水流量采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。系統(tǒng)實(shí)物如圖13所示。

圖13 水流量采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境整體實(shí)物

4.1 智能水表水流量采集

STM32F103單片機(jī)通過串口接收水流量并控制BC26模塊上傳，數(shù)據(jù)格式為JSON。JSON數(shù)據(jù)包含了2個相鄰時刻水流量的增量，其中value表示水流量值，data表示水流量增量的值。將STM32F103單片機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口與電腦連接，可在電腦的串口助手中顯示該JSON數(shù)據(jù)，如圖14所示。

圖14 BC26模塊發(fā)送的JSON格式數(shù)據(jù)

4.2 水流量上傳及推送

Web頁面顯示的水流量數(shù)據(jù)首先需要上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，然后通過高級消息隊(duì)列（AMQP）推送至應(yīng)用端的Tomcat服務(wù)器。在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的日志服務(wù)中，可以實(shí)時查看智能水表設(shè)備端與平臺的連接情況和數(shù)據(jù)傳輸記錄，記錄內(nèi)容包括物模型、物模型消息、設(shè)備到云消息、云到設(shè)備消息和服務(wù)端訂閱5種類型，如圖15所示。

圖15 智能水表運(yùn)行過程中在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺產(chǎn)生的日志記錄

在Web頁面中點(diǎn)擊“AMQP連接”按鍵，控制Tomcat服務(wù)器與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通過高級消息隊(duì)列協(xié)議（AMQP）連接。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通過高級消息隊(duì)列（AMQP）推送JSON數(shù)據(jù)至Tomcat服務(wù)器，JSON數(shù)據(jù)被緩存在當(dāng)前Web應(yīng)用路徑的txt文件中，txt文件存儲的JSON數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖16 AMQP推送的JSON數(shù)據(jù)

4.3 Web頁面訪問及數(shù)據(jù)顯示

開啟Tomcat服務(wù)器，在瀏覽器中輸入http：//pyl：8080訪問html目錄下的webSocketChat.html頁面，點(diǎn)擊“連接AMQP”按鍵后，頁面上顯示水表的當(dāng)前總水流量及其變化曲線和柱狀圖。Web頁面顯示AMQP連接結(jié)果和WebSocket連接狀態(tài)，通過WebSocket接收Tomcat服務(wù)器返回的JSON數(shù)據(jù)并在頁面中實(shí)時顯示。在智能水表設(shè)備端正常發(fā)送水流量數(shù)據(jù)時，通過累加每次接收到的水流量得到總水流量，并在Web頁面中顯示。運(yùn)行中的Web頁面如圖17所示。

圖17 運(yùn)行中的Web頁面

4.4 系統(tǒng)水流量采集

系統(tǒng)水流量采集測試是為了驗(yàn)證系統(tǒng)在運(yùn)行時所采集的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，進(jìn)一步證明系統(tǒng)的可行性。

自智能水表設(shè)備端上電運(yùn)行后發(fā)送的第一條數(shù)據(jù)開始，Web應(yīng)用端將接收的數(shù)據(jù)逐條累計(jì)，作為水表在該運(yùn)行時間段內(nèi)的總水流量，并在Web頁面上實(shí)時顯示。選取水表在分辨率為0.001 m處表盤指針指在0刻度時的記錄值為總水流量初始值l，l在Web頁面上顯示的值為28.5 L，即0.028 5 m，如圖18（a）所示。當(dāng)該表盤指針由0刻度處轉(zhuǎn)動到9刻度處時，記測量到的總水流量為l，水流量從l到l增加了A=9 L，即0.009 m，總水流量l在Web頁面上顯示的值為37.5 L，即0.037 5 m，如圖18（b）所示。因此，以l為初始起點(diǎn)，智能水表測得總水流量為l時，水流量差見式（1）：

圖18 相鄰兩個時刻水流量采集測試結(jié)果

上述結(jié)果表明，本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了水流量的準(zhǔn)確采集并能夠在Web應(yīng)用中實(shí)時穩(wěn)定地顯示總水流量的值，進(jìn)一步說明了本系統(tǒng)具備較高的可行性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

基于自主設(shè)計(jì)的計(jì)量芯片模塊與NB-IoT技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型物聯(lián)網(wǎng)智能水表系統(tǒng)。BC26模塊使用MQTT協(xié)議與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)通信，本地Tomcat服務(wù)器通過高級消息隊(duì)列協(xié)議（AMQP）可接收阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺推送的包含水流量的JSON數(shù)據(jù)，利用WebSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)Web頁面與Tomcat的雙向數(shù)據(jù)傳輸，Web頁面可實(shí)時更新水流量的變化并向Tomcat服務(wù)器發(fā)送控制指令。該系統(tǒng)解決了智能水表計(jì)量的水流量實(shí)時采集、無線傳輸和數(shù)據(jù)可視化問題，可滿足實(shí)際使用要求。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性和實(shí)時性高等優(yōu)點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)的人工抄讀水表數(shù)據(jù)工作方式，為實(shí)現(xiàn)水表的智能化管理提供新型解決方案，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價值。