超聲波水表校正轉發系統的設計與實現

嚴 曙，劉世偉

（1.中國科學院 合肥物質科學研究院，合肥 230031；2.安徽寶龍電器有限公司，宿州 234111）

近年來，物聯網儀表的發展速度非常快，跟隨物聯網發展趨勢，已經開始獲得越來越多的市場滲透率和接受度。其中，超聲波技術是智能儀表的一項重要技術[1-2]。國內超聲波技術在表計行業的應用發展最開始受供熱改革政策驅動，超聲波熱量表得以快速發展[3]。而當前我國的水表市場的水表以機械水表為主，其內部的機械計量由于磨損等因素使得水表的檢測準確度和重復性指標難以長期保持，檢測可靠性差，使用壽命短[4-5]。相比之下，超聲波水表憑借非接觸式檢測、精度高、寬量程等優勢，正逐漸進入城鎮供水等領域[6-7]。

超聲波水表是計量儀器儀表，為強制檢定的計量器具，其計量精度直接影響著供水單位的計量結果的準確性和消費者利益[8-9]。然后，由于每只水表的PCB 板測量的系統誤差不同，需要進一步完成誤差的校正。在超聲波水表批量生產中，需要完成檢測臺上的多臺超聲波水表與上位機水表校正軟件系統進行數據交換轉發。

依據上述需求，本文設計了一套超聲波水表校正數據轉發系統，該套裝置的使用有助于提高超聲波水聲的批量生產的校正效率，關系到水表是否能夠成功量產。

1 系統組成和工作原理

一套完整的超聲波水表校正數據轉發和校正系統由PC 上的上位機校正軟件系統、USB 轉433信號收發器、物聯網云平臺、被測水表（位于水表檢測臺）組成，如圖1 所示。水表檢測修正設備主要實現圖1 中虛線框內的功能，主要任務是建立水表和PC 軟件系統連接，負責數據協議轉換及傳輸，在整個系統中起著承上啟下的作用。

圖1 校正數據轉發示意圖Fig.1 Correction data forwarding diagram

2 系統硬件設計

2.1 系統板（PCB）總體設計

超聲波水表校正數據轉發板負責表體校正數據的轉發處理，該PCB 板上集成了433 通訊模塊接口、電池供電電路接口、調試接口、喚醒功能接口和紅外通訊接口，并與高性能低功耗的MCU（MSP430F149）芯片相連，如圖2 所示。PCB 板設計符合EMC 檢測標準，采用噴涂三防漆處理，喚醒功能接口采用磁感應干簧管，感受到外部磁鐵靠近，干簧管會導通，觸發外部中斷喚醒功能，喚醒MCU 進入正常工作狀態，433 通訊模塊采用澤耀科技的AS12-TTL 模塊，直接與MCU 串口連接。

圖2 板載硬件邏輯結構圖Fig.2 Logical structure of onboard hardware

紅外通訊接口電路是采集表體測量數據和接收上位機校正數據的主要通道。這部分電路運用紅外發光二極管，通過紅外光信號的有無，轉化數據信號的接收和發放，其紅外通訊電路如圖3 所示。

圖3 紅外通訊接口電路Fig.3 Infrared communication interface circuit

2.1.2 433 通訊接口電路

433 通訊接口電路使用澤耀科技的AS12-TTL模塊直接與MCU 相連，將紅外通訊電路接口接收到的數據上傳到上位機接收端，或將上位機發送的數據通過紅外通訊接口下載到表體中，其紅外通訊電路如圖4 所示。

圖4 433 通訊接口電路Fig.4 433 communication interface circuit

2.1.3 電源模塊接口電路

提供電源輸入通道，為保證系統的穩定性，采用德玲達公司生產的電池，其供電電壓為3.7 V，電流3200 mAh。低功耗的設計可以使本裝置使用時間達到3 年之久，其具體工作接口電路如圖5 所示。

圖5 電源模塊接口電路Fig.5 Interface circuit of power module

2.1.4 喚醒接口電路

在實際的校正工作中，由于某些原因，導致校正工作中止。本系統約定，在10 min 內如果沒有數據采集和轉發，系統將處于休眠狀態。如果繼續工作，則使用磁鐵靠近本裝置，在磁力的作用下，磁感應干簧管會導通，觸發外部中斷喚醒功能，喚醒MCU進入正常工作狀態。

2.1.5 調試接口電路

若以NaOH形式衡量，以1800m3/h尾氣計算，采用雙脫吸收工藝改造后，每年將減少NaOH（固體堿，反應用掉的）用量約9.5t，但在實際運行中，由于要外排一部分，保持一定的pH和堿濃度，其用量遠遠不止，雙塔吸收工藝將減少廢堿渣和廢水的排放，減少對污水處理的影響，有利于環保。

方便用戶程序燒寫，用以程序編寫過程中的仿真模擬，其工作接口如圖6 所示。

圖6 調試接口電路Fig.6 Debugging interface circuit

2.1.6 NB_IoT 接口電路

本接口電路提供了一種校正數據上傳機制，用戶可以將這些校正數據保存到數據服務平臺，根據這些數據可以分析校正數據是否存在異常。此外，還可以通過數據服務平臺判斷該裝置近期是否在工作和工作多久等，其具體接口如圖7 所示。

圖7 NB_IoT 接口電路Fig.7 NB_IoT interface circuit

2.2 數據服務中心

數據服務平臺是位于互聯網上的一臺主機，用于接收NB 模塊上傳的數據信息。在智能水務實踐中通常選擇中國電信IoT 平臺和中國移動one-NET平臺作為水務終端數據的中繼平臺，用戶可以另寫程序從該中繼平臺獲取用戶數據。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計采用的是嵌入式應用架構思想，首先將一個應用進行功能模塊劃分，并對整體結構分層（將API 分為驅動層和應用層），然后設計能獨立的各個模塊（如協議模塊、通訊模塊等），在模塊之上開放公共接口，便于應用的移植和功能模塊的可復用性，軟件工作流程如圖8 所示。系統軟件整體上由主程序和中斷處理程序兩部分組成。

圖8 軟件工作流程Fig.8 Software flow chart

3.1 中斷接口函數介紹

以下是各中斷接口函數，定時器負責計時處理，串口中斷負責數據的接收及發送，嵌入式程序主循環負責數據協議轉換，起到打通PC 和超聲波水表互通的鏈路功能。

3.2 主程序介紹

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；

Main_Timer_Init（）；//定時器配置

Main_Flash_Init（）；//運行環境初始化

MemCopy（（u8*）0x1120，&buff_200[0]，0x21）；

Main_IO_Init（）；//IO 口配置

Main_USART0_Init（）；//串口0 配置

Main_USART1_Init（9600）；//U1 9600

_EINT（）；//使能中斷

4 系統運行與驗證

在系統運行之前，首先把設計好的PCB 底圖交給PCB 制造廠商如嘉立創制版，然后再將制好的PCB 裸板委托第三方加工或自已加工制成PCBA版，在外接各種輔助性的插線或對第三方通訊模塊如AS12-TTL 模塊進行頻道設置，此功能設置對于擁有多臺檢測臺的車間特別重要，如設置不當，可引起檢測校正數據目標錯亂，失去校正數據轉發功能。

前續基礎工作完成后，用戶可使用MSP430 單片機匹配的仿真器MSP-FET430UIF 將IDEA 編譯的用戶程序下載到本系統所設計的PCBA 板上，并分別與電腦上位機與檢測臺的超聲波水表相連。同時，將NB 模塊（L660）注冊到電信物聯網平臺，激活SIM 芯片，開啟NB 數據上傳通道，如圖9 所示。

圖9 NB 模塊注冊物聯網平臺示意圖Fig.9 Schematic diagram of NB module registering IoT platform

5 結語

本文所設計的超聲波水表校正數據轉發系統運用433 頻率的無線通訊模塊和無線紅外通訊進行校正數據的轉發傳輸，在IDEA 編譯環境中，采用C 語言對PCBA 板進行編程開發。在設計中還使用了集成的芯片數據傳輸DTU 模塊并提供SIM 通訊芯片接口，與宏電的H7210DTU 不同，可以與PCBA上集成芯片集成到一起，整體結構緊湊小巧。經過客戶使用和反饋，本系統運行穩定可靠，在長達7天的拷機實驗中，表現出較好的品質，該系統可以很好地滿足用戶的需求。