一種自供電智能水表的設(shè)計(jì)

摘 要：現(xiàn)有智能水表多數(shù)采用外接電源或一次性電池供電，在實(shí)際應(yīng)用中存在布線麻煩、安裝不便、需頻繁更換電池、不利于環(huán)境保護(hù)等問題?；诖?，設(shè)計(jì)了一種無需消耗外界能源，由微型水輪發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自供電的智能水表。該智能水表以AT89S52單片機(jī)為控制核心，硬件包括F50-12 V型微型水輪發(fā)電機(jī)、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(yuǎn)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(huán)境中的能量收集起來為智能水表系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的效果；同時(shí)，可通過無線通信技術(shù)將水表的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)焦┧净蛴脩舻脑O(shè)備上，免去了手動(dòng)抄表的麻煩，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jiān)控用水情況提供了便利。設(shè)計(jì)的智能水表在不消耗外部能源的情況下，實(shí)現(xiàn)自供電和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能水表；自供電；遠(yuǎn)程傳輸；單片機(jī)；低功耗；AT89S52單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP393；TH814.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

在智慧城市的建設(shè)中，供水網(wǎng)絡(luò)是極為重要的一部分，如何有效管理供水網(wǎng)絡(luò)是建設(shè)智慧城市所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。水表是管理供水系統(tǒng)的一項(xiàng)重要儀器，用以計(jì)量從公共供水系統(tǒng)向住宅或商業(yè)樓宇供給的水量[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械水表雖具有成本低、結(jié)構(gòu)可靠的特點(diǎn)，但其計(jì)量精度低、測(cè)量范圍窄，無法實(shí)時(shí)、自動(dòng)地檢測(cè)用水量，需要水務(wù)工作人員定期訪問水表安裝地點(diǎn)進(jìn)行人工抄表，且用水量的計(jì)算需要用到以往的用水?dāng)?shù)據(jù)，這一過程需要相當(dāng)大的操作成本，且耗時(shí)、容易出錯(cuò)。隨著大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，如今有了電子式智能水表。電子式智能水表具有漏水報(bào)警、自動(dòng)抄表、可實(shí)時(shí)給用戶提供用水信息的功能，有助于用戶實(shí)時(shí)了解用水信息[2]?，F(xiàn)有的智能水表雖然具有高精度、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、低功耗運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，但其需要外接電源或采用電池供電。外接電源雖能長(zhǎng)時(shí)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(xiàn)電池電量不足的情況，水表將無法快速地關(guān)閉水閥，造成無法計(jì)費(fèi)、逃水等情況出現(xiàn)，并且這兩種供電方式都需依靠外部的能量。

基于此，設(shè)計(jì)了一種利用微型水輪發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)自供電，避免了傳統(tǒng)水表需要布線和頻繁更換電池的問題。所設(shè)計(jì)水表還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高精度、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 自供電的智能水表的工作原理

圖1所示為所設(shè)計(jì)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(fā)電機(jī)，它們毗鄰布置在一根水管上，由電線相接。微型水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電經(jīng)電源管理模塊調(diào)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(jī)、霍爾水流量傳感器和NB-IoT芯片供電?；魻査髁總鞲衅鲗⑹占降乃髁啃畔鬏斀oAT89S52單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后再由其外接的NB-IoT芯片與NB-IoT基站連接后發(fā)送至用戶終端接收器上。

2 水表整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自供電智能水表的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括能量收集模塊、水表流量計(jì)量模塊和無線通信模塊。

2.1 能量收集

在居民供水系統(tǒng)中，水表的周圍有多種獲取能量的可能途徑，如光能、水流動(dòng)能、溫差、機(jī)械振動(dòng)等。水表大多安裝在隱蔽的環(huán)境，如壁櫥、水表間等，這些地方無法利用風(fēng)能或者光能進(jìn)行發(fā)電?？紤]到自來水管中的水流是良好的能量來源，故本設(shè)計(jì)采用F50-12 V型微型水輪發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生12 V的穩(wěn)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(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微型水輪發(fā)電機(jī)是通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)整流器后輸出直流電，為整個(gè)系統(tǒng)供電[3-6]。當(dāng)水經(jīng)過微型水輪發(fā)電機(jī)時(shí)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵也隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使定子線圈相對(duì)磁鐵的磁極不斷變化，從而使線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2.2 水流量計(jì)量

霍爾水流量傳感器是一種渦輪式流量計(jì)，是利用霍爾效應(yīng)來測(cè)量磁性物理量，具有精確度高、可檢測(cè)微小流量變化、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。該流量計(jì)管道中心安裝有一個(gè)多葉片的葉輪，兩端用軸承支撐。當(dāng)水流快速流過水管時(shí)，水流沖擊葉輪的葉片，對(duì)葉輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，葉片克服摩擦力矩和流體阻力從而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)磁極靠近霍爾元件時(shí)，霍爾元件接通；遠(yuǎn)離時(shí)，霍爾元件被斷開。由于霍爾元件輸出的信號(hào)頻率與葉輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，而葉輪的轉(zhuǎn)速與水流量成正比，因此可以通過傳感器在單位時(shí)間內(nèi)反饋的信號(hào)判斷水流量大小[7-8]。本設(shè)計(jì)采用的DN32型霍爾水流量傳感器，其流量測(cè)量范圍為3～120 L/min，通過水輪轉(zhuǎn)動(dòng)使磁極變化觸發(fā)霍爾模組產(chǎn)生脈沖來測(cè)量水流量，滿足自來水管的測(cè)量要求。

2.3 無線通信

該智能水表通過無線接收和發(fā)送模塊將水流量傳感器收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嚓P(guān)基站，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。智能水表的無線通信是利用無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)水表與用戶手機(jī)、數(shù)據(jù)中心等設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，其可以滿足遠(yuǎn)距離的傳輸需求。同時(shí)智能水表的無線通信具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于住宅、廣場(chǎng)、工廠等場(chǎng)合。

基于以上智能水表無線通信的多種特征和優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用的無線通信系統(tǒng)可分為感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層四部分。智能水表感知層所要實(shí)現(xiàn)的功能是收集用水量數(shù)據(jù)；傳輸層需實(shí)現(xiàn)通信模塊與NB-IoT基站連接，將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)；平臺(tái)層所要實(shí)現(xiàn)的功能是接收從水表傳輸來的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)；應(yīng)用層即用戶可以在手機(jī)的程序上查詢到云平臺(tái)上所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的傳輸層涉及NB-IoT技術(shù)，其具有低功耗、低成本、穿透能力強(qiáng)、通信連接穩(wěn)定等特點(diǎn)，適合應(yīng)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(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選用的NB-IoT模組是中國(guó)移動(dòng)的M5310A。M5310A芯片是一款工業(yè)級(jí)多頻段NB-IoT模組芯片，內(nèi)嵌MQTT/LwM2M/COAP等多種傳輸協(xié)議及擴(kuò)展AT指令，通過使用簡(jiǎn)單的AT指令即可實(shí)現(xiàn) NB-IoT 模塊與云平臺(tái)之間的連接[9]；并且該模組支持PSM和eDRX兩種節(jié)電技術(shù)，適用于本文設(shè)計(jì)的能量來源有限的低功耗智能水表。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是智能水表設(shè)計(jì)的重要部分。本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)初始化模塊設(shè)計(jì)、水流量信息采集模塊設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)三部分。

3.1 系統(tǒng)初始化模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)是智能水表軟件系統(tǒng)的控制核心，而單片機(jī)軟件程序的編寫首先需要進(jìn)行初始化，如圖4所示。本文設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)的主程序首先對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，主要為了得到串行通信發(fā)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(jī)與NB-IoT模塊之間的信息傳輸速度；其次進(jìn)行串口初始化，主要是針對(duì)單片機(jī)中與水表收發(fā)數(shù)據(jù)相關(guān)的寄存器以及I/O口的初始化；然后對(duì)串口重要參數(shù)進(jìn)行初始化，主要包括起始位、停止位、字長(zhǎng)以及收發(fā)模式；最后進(jìn)行串口中斷的初始化，設(shè)置中斷源，使發(fā)生相應(yīng)事件時(shí)有相應(yīng)的中斷子程序來處理事件，串口即可完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收工作，為水流量信息采集模塊設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備[10]。

3.2 水流量信息采集模塊設(shè)計(jì)

智能水表監(jiān)測(cè)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(jī)，因此數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)采用外部脈沖信號(hào)觸發(fā)中斷的方式?；魻査髁總鞲衅鲗a(chǎn)生的脈沖信號(hào)傳遞給單片機(jī)時(shí)觸發(fā)中斷，單片機(jī)隨即開啟脈沖信號(hào)處理子程序，開始采集水流量信息（如圖5所示）。單片機(jī)根據(jù)產(chǎn)生的脈沖數(shù)和相應(yīng)的系數(shù)計(jì)算后可得出用水量。將計(jì)算得到的用水量存儲(chǔ)到FLASH中用于后續(xù)信息的傳輸和日后查閱數(shù)據(jù)。

3.3 通信系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)模塊的主要功能為定時(shí)發(fā)送水流量信息。為了實(shí)現(xiàn)水流量信息的定時(shí)傳輸，該通信系統(tǒng)模塊的觸發(fā)采用定時(shí)器中斷的方式。每當(dāng)設(shè)定的一小時(shí)計(jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束后，單片機(jī)便會(huì)觸發(fā)一次中斷。如圖6所示，中斷觸發(fā)后，單片機(jī)首先申請(qǐng)加入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，隨后通過由串口連接的NB-IoT模組發(fā)送包含水流量信息的數(shù)據(jù)，該過程主要包括命令的構(gòu)建、發(fā)送和錯(cuò)誤處理。命令構(gòu)建的過程主要是將水流量數(shù)據(jù)按照一定的格式構(gòu)成符合NB-IoT協(xié)議要求的數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)包構(gòu)建完成后，單片機(jī)將通過串口發(fā)送命令并進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的處理，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。最終，通過上述流程，智能水表將能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精確、穩(wěn)定的水流量信息定時(shí)傳輸。

4 結(jié) 語

針對(duì)現(xiàn)有水表需要消耗外部能源、無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的自供電智能水表，該水表采用微型水輪發(fā)電機(jī)收集能量為整個(gè)水表系統(tǒng)供電，并采用NB-IoT通信技術(shù)將水表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)焦┧净蛴脩舻脑O(shè)備，實(shí)現(xiàn)了在無需外界能源供應(yīng)的情況下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)了自供電和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為邢春曉。

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作者簡(jiǎn)介：朱厚森，男，本科生，從事智能農(nóng)機(jī)研究。

邢春曉，男，講師，從事智能農(nóng)機(jī)研究。

收稿日期：2023-04-19 修回日期：2023-05-15

基金項(xiàng)目：自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（S202310758026）