基于雙簧管傳感器信息采集技術的智能水表系統的研究與設計

陳懿德 陳曉東

【摘 要】為了解決傳統智能水表計費不科學、計費不準確、容易受到干擾等問題，設計了一套基于MSP430F413嵌入式芯片和雙簧管傳感器的智能水表系統。首先，對智能水表系統的整體結構進行了設計，主要包括主控芯片MSP430F413作為核心處理器、電源模塊為系統供電、脈沖采集電路、閥門控制電路、報警電路模塊、通信基站模塊和LCD液晶顯示模塊等。然后，對系統進行了整體硬件電路連接進行了電路設計和硬件功能設計說明。最后，通過模塊化技術實現了智能電表整體軟件流程設計。

【關鍵詞】雙簧管傳感器;智能水表

一、引言

隨著科技水平和互聯網技術的快速發展，基于物聯網技術的應用越來越深入到人們的生活當中，其中以智能化為代表的各類應用最為突出。為了保障居民飲水的安全、繳費快捷、支付多樣化等方面的效率，越來愈多的地區都采用智能化水表作為計費的依據。智能水表實行了一家一戶水表和階梯計費等功能，提高了水利部門的工作效率和管理效率。

二、智能水表系統整體結構設計

智能水表在整體結構設計上，主要做了7部分：（1）主控單片機芯片采用三星公司的MSP430F413，它主要作為系統的核心完成數據的處理功能;（2）電源管理電路模塊：為智能電表系統所有的模塊提供整體的電壓輸出和供電;（3）脈沖采集電路：當用戶用水時，傳感器采集到脈沖信號后將數據傳輸至主控芯片，啟動系統計費;（4）閥門控制電路模塊：當用戶的充值額度用完后系統自動關閉閥門實現停水功能，當用戶充值后閥門自動開啟提供供水模式;（5）報警電路模塊：當用戶充值額度用至系統紅線時，自動提供警示功能，提醒用戶盡快充值，防止停水;（6）MF1702通信基站模塊：為智能水表的遠程抄表提供無線通信模塊，實時的進行數據的上傳和讀取;（7）LCD液晶顯示：實時為用戶提供水表信息的顯示查看功能。

三、智能電表硬件系統設計

根據智能水表整體設計模塊，該系統的硬件系統設計主要包括雙簧管傳感器數據采集電路設計、無線通信模塊設計、LCD屏顯模塊和水表閥門電路控制設計等。

（一）雙簧管傳感器電路設計

為了實現水表的智能數據讀取和數據控制功能，在水表信息脈沖信號采集上采用“1+1”模式的雙簧管傳感器來完成。該傳感器的工作原理為：當系統自動檢測數據時，如果出現1個簧管收到用水信息時，系統自動記錄數據，同時檢測另外一根簧管是否有用水信息;只有當雙簧管同時工作的情況下，系統才執行信號采集和用水計費功能。雙簧管傳感器的設計避免了臨界點抖動誤差或者人為磁鐵干擾造成智能水表計數誤差。

（二）無線通信模塊電路設計

為了實現智能水表的數據傳輸，無線通信的芯片采用FM1702SL，它是基于IEEE9001的自動感知數據采集的芯片，同時數據傳感天線采用摩比公司的MIFARE。該無線通信模塊具備高級的加密算法，提供了較高的安全保證。無線通信的信號采集芯片和天線電路設計如圖所示。

四、智能電表軟件系統設計

為了保證智能電表軟件系統后續的升級維護，軟件設計采用了模塊化結構式設計。該系統的主控智能程序主要完成了系統初始化設置、電磁閥門控制狀態、傳感器信息采集狀態、用戶用水量超越紅線警示、電池電量警報和無線通信程序等。系統核心程序主要包括階梯計費設計、電磁閥門控制程序、看門狗定時器警報程序和傳感器脈沖信號輸出程序等。子程序還包括智能IC卡的加密解密、LCD屏顯控制程序、系統中斷重啟程序等。

五、結語

本文采用MSP430F413做為數據處理主控芯片、雙簧管傳感器智能信息采集功能的水表系統。智能水表系統整體結構主要包括主控芯片MSP430F413作為核心處理器、電源模塊為系統供電、脈沖采集電路實現數據采集、閥門控制電路實現自動停水功能供水模式、報警電路自動提供警示功能、MF1702通信基站提供無線通信實時數據上傳讀取和LCD液晶顯示實時查看等功能設計。該系統解決了傳統智能水表計費不科學、計費不準確、容易受到干擾等問題，具備一定的實際使用價值。

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