智能水表集抄系統中云服務數據集采網關的設計與實現

廣東職業技術學院 歐浩源 王 毅 張建明

本文利用物聯網和云計算技術，設計并實現了智能水表集抄系統中的云服務數據集采網關。該網關下行通過Zigbee技術與水表采集模塊組建無線網絡，進行用水數據抄收；上行通過NB-IOT技術與云端服務器建立連接，上報網關接管水表的實時數據。該網關接入集抄系統現場運行測試，下行數據抄收準確，上行數據傳輸可靠，整體運行功耗超低，具有很好的研究意義和實用價值。

隨著物聯網應用和云計算系統的技術成熟與應用普及，新一代信息處理技術為“水務+互聯網”的應用提供了堅實的技術基礎，也為水表數據采集和用水管理提供了更多的解決途徑。智能水表集抄系統可以讓水表具有思維，將城市的水表進行網絡化和信息化，從而組建以水表為核心的物聯網體系。通物聯網與云架構建立以實時用水數據為內容的數據中心，根據用戶實際使用情況進行抄收和按照相關標準進行水費計算。不但可以提高效率，還可以方便的做到實時抄收和階梯結算。在智能水表集抄系統中，云服務數據集采網關（下稱：集采網關）是一個承上啟下的信息傳遞樞紐，是系統穩定運行的重要保障。

1 集抄系統的結構

本文的智能水表集抄系統中，最下面的感知層為裝在用戶水表上的水表數據采集模塊。該模塊通過累計霍爾元件上的脈沖數獲得用戶的用水信息。除了能夠實時獲取用戶用水量之外，該模塊還具有Zigbee通信模組，能夠跟云服務數據集采網關組建Zigbee無線網絡，進行用水數據的傳遞。集采網關對接管的各個水表完成數據采集后，將這些數據封裝成約定的格式，然后啟動上行的NB-IOT模組和云端服務器建立連續，上報最新的用水數據。集抄系統的最上層為自來水公司的數據管理系統，該管理系統從云端服務器中獲取用戶的最新用水數據進行結算和管理等工作。整個智能水表集采系統的結構如圖1所示。

圖1 智能水表集抄系統的結構

2 集采網關的系統設計

集采網關在智能水表集抄系統中是信息傳遞樞紐，下行承擔著對用戶水表用水數據采集的任務，上行需要與云端服務建立連接，上報用水數據。在本網關的系統設計中，除了要實現上下行通信功能之外，還要做好整體的低功耗處理。集采網關的系統設計如圖2所示。

圖2 集采網關的系統設計

集采網關主控芯片采用ST公司的超低功耗微處理器STM32L451C8T6，該微處理器提供ShutDown關機模式，在該模式下待機功能可達5uA。網關的下行通信采用CC2530模組與各個水表進行Zigbee無線組網；上行通信采用L620模組與中國電信的云服務器建立通信信道，在特定的時間段上報網關接管水表的全部實時數據。

為了使集采網關的綜合功耗更低，在硬件電路上設計了電源管理和硬件開關機兩個部分。集抄系統需要進行水表數據采集的和向云服務器上報數據的時候，主控芯片處于正常工作狀態，控制電源管理電路給相應的模組供電。只有在向云服務器上報數據的時候，主控芯片才會通過硬件啟動L620模組與云服務器上線連接。當水表數據采集或數據上報工作完成后，主控芯片首先計算下一次喚醒時間的計算，并將該時間設置到RTC外設的鬧鈴參數中，然后進行關機模式，直到RTC鬧鈴觸發才會重新喚醒主控芯片，進入正常工作模式。

3 上行通信部分設計

集采網關上行通信部分以上海移柯的NB-IOT模組L620為核心進行設計。L620模組低功耗超低，在3.3V電源下PSM模式只有3.5uA，非常合適本產品的設計理念。模組為45腳LCC封裝，本部分的硬件設計框圖如圖3所示。

圖3 集采網關上行NB-IOT硬件設計

L620模組提供了三路串行通信接口UART，其中UART1為全功能的串行異步通信接口，作為本集采網關通信接口，與主控芯片STM32L451的USART3連接。L620模組的UART接口電平為1.8V，與STM32L451的接口電平不匹配，故在它們之間需要增加一個電平轉換電路。

L620模組支持并能自動檢測3.0V和1.8V的SIM卡。模組通過4根線與SIM卡座進行連接，分別是：SIM卡數據引腳SIO，SIM卡時鐘引腳SCLK，SIM卡復位引腳SRST和SIM卡電源引腳SVIM。在硬件設計時，SIM卡座盡量靠近L620模組SIM卡接口的位置，避免因走線過長，導致波形變形而影響信號的完整性。SCLK和SIO信號線走線必須包地保護，在SVIM和GND之間需要并聯一個1uF的電容，以濾除射頻信號的干擾。

L620模組提供硬件開關機功能，在不要上報數據的時候，由主控芯片通過該引腳把模組關閉，以減小整機的功耗。模組的第30引腳為硬件開機輸入端，在L620模組上電后，可以通過拉底該引腳300ms～1s后再釋放，使用模組開機。在需要硬件關機的時候，拉底該引腳8～11s即會觸發模組關機，整個關機流程需要1s才能完成。

4 下行通信部分設計

集采網關上行通信以TI公司的CC2530芯片為核心的模組進行設計。該模組的UART1接口與與主控芯片STM32L451的USART1連接，主控芯片通過該串口向Zigbee模組發送抄收命令和接受水表數據。CC2530模組中移植Z-Stack協議棧，在該協議棧中編寫應用程序，以任務管理的方式實現集采網關命令響應、水表數據抄收，水表數據上傳，網絡組建維護等功能。本部分的硬件設計框圖如圖4所示。

圖4 集采網關下行Zigbee硬件設計

結束語：本文設計的智能水表集抄系統中的云服務集采網關已完成樣機測試，在近1年的現場投運過程中，下行水表數據采集尚未發現丟包情況，上行的數據上報偶有掉線，整體成功率在95%以上。系統在關機模式下功耗在8uA左右，正常工作時在15mA左右，基本上達到設計預期指標，能夠滿足集抄系統使用要求。