基于NB-IoT 智能遠傳水表的研制

劉玉潔，李漢榮，陳錦

（珠海城市職業(yè)技術學院，廣東珠海，519090）

0 引言

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

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

1 總體設計思路

本項目系統總體框圖設計如圖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 技術對智能水表采集的水流量數據進行遠距離傳輸到與中移物聯OneNET 云平臺。云平臺可實時監(jiān)測異常數據，幫助水務公司實現數字化、精準化、智能化管理。本設計最大的優(yōu)點在于低功耗設計，首先體現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)化系統的工作流程，在軟件設計中采用NB 模塊斷電和喚醒的工作機制。當系統需要用到NB 模塊時才為其供電，其他時刻處于斷電狀態(tài)，有效地降低了系統功耗[3]。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

■2.1 水流量監(jiān)測模塊設計

改造傳統水表，在水表內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的干簧管，當磁鐵靠近SL351LT 時，SL351LT 內部簧片吸合；當磁鐵離開SL351LT 時，SL351LT 內部簧片斷開，從而輸出計量脈沖。但其外形更小巧、運行更持久、性能更可靠，且電流消耗低于500 毫微安[4]。智能水表中當水流帶動葉輪轉動，水表指針轉盤旋轉一周，磁鐵經過SL351LT 一次，便產生一個脈沖，最終根據脈沖的數量得用水量[5]。為提高計量的精確度，本設計采用了雙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。當只閉合一個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

主控模塊的主要進行水流量數據采集以及數據傳輸。由于系統較為簡單，主控芯片選用了意法半導體有限公司的STM32 L051C8T6，該微控制器基于Cortex-M0 內核。M0 內核的應用場景大多是高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用。STM32L051C8T6 擁有的豐富資源，幾乎不需要擴展太多的外圍電路就能滿足本設計要求。STM32L051C8T6 主要特點如下[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,而待機狀態(tài)的電流可以低至0.27μA。

（2）存儲空間

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

（3）豐富的模擬外設

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 等通信標準接口。

■2.3 NB-IoT 通信模塊

NB-IoT 通信模塊主要實現水表終端和物聯網云平臺的信息交互，本系統通信模塊電路圖如圖3 所示，由NB-IoT模塊、SIM 卡座、電源電路、串口電平轉換電話和復位電路組成[7]。NB-IoT 通信模塊通過串口與主控模塊實現數據交換，可將通信模塊的RXD、TXD 連接到STM32L051C8T6的串口對應管腳進行串口通信。

圖3 NB—IoT 通信模塊電路原理圖

其中NB-IoT 模塊選用上海移遠公司基于聯發(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備的需求。BC26 兼容移遠通信GSM/GPRS 系列的M26 模組，方便現有的2G 客戶快速、靈活地切換至NB-IoT 網絡。同時BC26 還提供包括UART、SPI、ADC 等豐富的外部接口，以及TCP、CoAP、MQTT 等網絡協議，具備OpenCPU 功能，可接入OneNET、EasyIoT、OceanConnect 等物聯網云平臺[8]。

本系統中的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、數據、時鐘、復位信號分別對的是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

為了實現通過云平臺或者智能終端應用對水流開關進行遠程控制，本表在傳統水表基礎上進行改造，增加電機驅動的水閥開關。當云平臺或者智能終端應用發(fā)送控制指令后，BC26 模塊接收相應的下行報文，再發(fā)送給主控模塊，STM32L051C8T6 芯片控制電機的轉動來實現水閥的開關。本項目中電機驅動芯片采用DRV8832DGV。該芯片能實現電動機閥門的安全啟動，以及設備的過壓、限流、過溫保護，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1A。為確保電池有更長的使用壽命并保證電機轉速的恒定，DRV8832 內部提供PWM 電壓控制模式。本系統的閥門電機電源線與DRV8832 的OUT1 和OUT2 端口相連，而DRV8832 的輸入端則連接STM32L051C8T6 的PB6 和PB5，從而實現GPIO 通過控制電平的高低來實現電機的正反轉。

■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。因為STM32L051C8T6 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1 年以上。同時由于沒有設計再充電電路,鋰電池使用到一定時間,將無法正常為系統提供電能。為解決制約智能水表電源工作的瓶頸問題,本設計設置使用超級電容作為備用電源，同時在軟件設計中實現電池電量監(jiān)測，從而有效減少無法計費、無法可靠關閉水閥等情況出現。

圖5 電源電路原理圖

3 軟件設計

軟件主程序流程圖如圖6 所示。整個系統硬件設計采用低功耗設計，MCU 采用低功耗配置，平時進入低功耗模式，通過RTC 每50ms 喚醒一次，采集水表脈沖數據，轉換成水表讀數存儲在MCU 的EEPROM 中，MCU 打開內部實時時鐘，與設定的定時上傳時間進行匹配，若時間一致，立即打開NB 模塊供電，開機，NB 模塊初始化配置，MCU 實時時鐘與基站時鐘進行校時，獲取當前NB 模塊的信號值，供電電池電壓，當前水表累計讀數，打包所需水表參數成JSON 格式，連接ONENET 平臺，上傳打包好的數據，上傳完成后等待ONENET 平臺回復應答指令，整個上傳過程結束。關閉外設進入低功耗模式，等待下次上傳定時時間。

圖6 主程序流程圖

■3.1 系統初始化

當智能水表上電復位后，主控模塊STM32L051C8T6進行系統初始化，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,如當前水表脈沖數等。同時將PB13、PB14 設置為輸入引腳，用于采集水流量計量脈沖。當未到達采樣脈沖數據或者上傳數據時間時，系統進入低功耗睡眠模式。

■3.2 NB-IoT 模塊入網

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

圖7 BC26 模塊入網的對接流程

■3.3 數據上傳云平臺

主控芯片STM32L051C8T6 將采集的水流量數據解析后通過串口發(fā)送給BC26，BC26 通過COAP(Constrained Application Protocol)協議將水流量數據傳輸至物聯網云平臺。本系統使用的是云平臺為中移物聯的OneNET。OneNET 是中國移動推出的定位為PaaS 服務的物聯網開放云平臺，平臺提供了豐富的API，能幫助用戶通過簡單的調用，使得終端設備快速接入。智能水表屬于NB-IoT 領域下的物聯網應用,要實現水表終端與OneNET 平臺通信，應用層需采用LwM2M(Lighetweight Machine-To-Machine)協議，它是一種基于UDP 協議之上的具有重傳機制的輕量級M2M 協議，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯網應用。LwM2M協議可通過引導接口、客戶端注冊接口、客戶管理與服務實現接口、信息上報接口來實現數據的傳輸[10]。BC26 模塊通過AT 指令采用LwM2M 協議接入OneNET 云平臺流程如圖8 所示。

圖8 BC26 接入云平臺流程

4 系統測試

智能水表外觀如圖9 所示。水表電源端與萬用表串聯，測量水表終端待機狀態(tài)以及工作狀態(tài)下的電流。測得待機狀態(tài)下的電流為7.89μA，如圖10 所示；系統處于工作狀態(tài)下的工作電流為30mA;假設水表每個月采集并發(fā)送數據10次，每次采集數據到發(fā)送數據需要的時間在2s 以內。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，實現了低功耗系統設計要求。

圖9 智能水表外觀

圖10 智能水表待機電流

系統設置每隔15 分鐘上傳水流量數據至云平臺一次。服務器通過API 接口將水流量數據推送到OneNET 云平臺，云平臺以折現的方式展示實時用水情況，如圖11 所示。本系統實現了遠程監(jiān)控功能，用戶可以在前端網頁進行實時監(jiān)控，且歷史數據不會丟失。此外，在OneNET 云平臺還可以添加報警觸發(fā)器，當智能水表上傳到云平臺的水流量參數高于或低于設定閾值會進行報警。

圖11 OneNET 云平臺監(jiān)控數據

5 結語

為了適應智慧城市智能抄表管理的需求，本文設計開發(fā)了一套基于STM32L051C8T6 和NB-IoT 通信模塊BC26 的智能遠傳水表。該系統利用嵌入式和窄帶物聯網技術，可以通過PC 等終端遠程采集水表水流量數據，同時可及時獲取異常報警信息，方便水務公司實現數字化、精準化、智能化管理。測試結果表明，該智能水表實現了遠程低功耗數據采集，運行穩(wěn)定，達到了預期設計目標。