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物联网下智能水表系统的设计与实现

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：李强

[导读] 摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。

        天津市滨海新区汉沽自来水管理所天津市滨海新区汉沽 300480
        摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。随着科技的进步和发展，物联网技术逐渐成熟，被越来越多地应用到工业、医疗、园艺等领域。物联网水表是一款新型的智能水表，与传统的远传水表和智能水表相比，具有实时性强、安装简易以及易于数据采集和分析等优点。本文就物联网下智能水表系统的设计与实现展开探讨。
        关键词：智能水表；物联网；大数据
        引言
        随着物联网行业发展的不断深入，物联网技术被越来越多地应用到制造业、物流、车联网行业、园艺等领域。目前，水表作为供水企业与用户进行消费结算的重要依据，关注供水系统自动数据采集和降低管网损耗，保证物联网数据安全，是政府提倡的“智慧水务”的工作重点之一。
        1智能水表及其计量特点
        智能水表就是在传统水表的基础上，融入更多的科技元素，通过智能化技术和手段，对居民的用水量进行数据计量、传递以及交易结算，属于新型的水表。智能水表主要通过特定的传感信号对水量进行全面的处理，发挥计算机信息处理的重要作用，提升计算的精准性和测量速度，实现了网络数据的沟通。根据智能水表的结构，主要包括以下几个部分：第一，信息读取的线圈；第二，水量计量和信息传输的基表；第三，保证智能水表正常开启和关闭的执行器。第四，对日常的用水量进行记录，显示日常水量数据的液晶显示器。在通常情况下，智能水表充分发挥了网络技术的便捷性和先进性，性能大大提升，改变了以往水表计量方式，融入了更多系统性和集成性的理念。随着人们的生活水平进一步提升，现代化住宅更加关注人们的私密，传统的入户抄水表的方式已经不能满足当前社会经济发展的基本需求。智能化水表的出现，为广大居民带来了便利，得到了广泛的应用。从而系统功能来看，智能水表主要分成以下类型：卡式智能水表和远程集中抄表。
        2物联网水表系统设计框架
        本次设计的新型物联网水表总体框架主要是由表具内置的无线传感器、GSM无线传输模块、远程监控系统(B/S架构)以及企业数据库四大部分构成。现场信息数据的采集由无线传感器完成，各组成模块相互协作，共同完成对居民水表使用数据的采集、传输及分析。该表可实现远传操控，从水表直接连接云端，对用户水表进行抄表控制，省去了以往传统模式下的“抄水表”。系统整体框架可分为感知层、数据层、应用层和表示层。(1)系统感知层，水表内部的温度传感器和流量采集传感器通过传感器的路由节点来收集居民所用水的实时温度以及居民用水量等数据信息，各节点之间采用的是网络拓扑结构，以便可以选择一条最优的路径传输数据，在ZigBee技术的配合下将各传感器节点和汇节点之间实行无线通信;汇节点经过MCU控制将数据汇总之后传输到应用层的GSM通信模块数据终端。(2)当感知层传感器各节点完成信息采集后，数据将会被传输至应用层和表示层，应用层和表示层将接受到的信息在远程监控系统(B/S架构)上的设备上远程实时显示。B/S架构建立在广域网上，面向不同的用户群，设计的范围很广，而水表的使用也正是地域广，分布散的特点。(3)相对C/S架构而言，B/S架构中工作界面可以通过浏览器进行操作，简化了系统的开发、维护和使用。在系统感知层和应用层之间存在网络层，主要功能是当感知层传感器节点收集好数据后，将会把数据先传输给中移动GSM无线传输模块，在通过GPＲS网络后将数据存储在数据库中，再传输到远程监控中心，实现数据从感知层到应用层或者表示层的传输。
        3物联网水表硬件系统架构
        3.1水流量数据采集模块设计
        通过对传统水表进行改造，水表内部固化霍尔传感器，当有水流带动叶轮转动，水表指针旋转一周产生一个脉冲，水表出厂前需要校准，把校准数据保存到主控芯片的内部存储器，最终根据脉冲的数量得出水量。用水量公式如式（1）：
        Q=CP，（1）
        式中：Q代表用水量；C代表脉冲的个数；P代表校准之后的数据，表示每个脉冲代表的水量，L/脉冲。
        3.2温度采样
        物联网水表不仅可以显示用户用水量，还可以显示所用水的温度情况，采用一只Pt1000的温度传感器，使用恒流源式测温电路，设定声速反推温度作为后补。温度采样同样分为三种模式，为“用户模式”、“检定模式”和“快速采样模式”。在“检定模式”与“快速采样模式”下，温度传感器的采样频率为1次/6s，以保证测量的精度;在“用户模式”下，温度传感器的采样频率为1次/30s，以降低整机的功耗。当温度传感器发生(短路、断路)故障时，报警温度出错，同时采用声速反推的温度作为表计温度，以确保流量采样正常进行。
        3.3电源电路
        一般来说，系统的功耗往往和电源电压的大小成一定比例关系，电源电压高，系统的功耗相应的也会增大，因此在功耗要求很严格的智能水表控制系统中，在保证功能的前提下，尽量选择低的电源电压。
        3.4系统通讯及数据采集
        水表通信系统基于ZigBee无线网络通过和内置的中移动GSM卡及无线通信模块协同作业的模式。ZigBee无线网络模块采用CC2530主流通信芯片，并且使用网状拓补结构，将各水表的路由节点采集的信息结合移动网络传输到远程控制中心。物联网水表硬件处理器采用MSP430F448单片机，具有低电压、超低功耗性能等优点。低功耗特性体现如下:第一，芯片的CPU和其他功能模块可以在不同的时钟进行工作，使其在低频的工作模式下可以降低功耗;第二，由于水表功能模块较多，将产生多种复杂的中断，使用MSP430主控芯片可以尽可能的适应各种中断驱动系统的需求。MSP43和CC2530芯片可以共同通过串口的通讯方式来实现对数据的收发。当感知层采集数据后通过模块转换，由RS232接口将信息传递给中移动GSM卡的无线传输模块，经过内置的TCP/IP协议转换模块实现无线数据的收发。然后将数据进行打包后以数据包的形式通过GPRS/Internet网络传输到远程的控制中心。硬件处理器和ZigBee无线网络模块相互结合使用可以实现对水表自动开关阀以及对水表上电、掉电和低压检测的自动控制操作。
        4系统软件设计
        4.1软件主流程设计
        软件主程序流程图如图1所示。（1）系统初始化。当水表软件系统上电复位之后，进行系统初始化，初始化软件看门狗WDG，初始化TIM2设置为脉冲捕获中断，初始化TIM1设置为定时器。读取主控芯片EEPROM中的阿里云物联网平台连接需要的一些参数，如IP域名，端口等参数以及采集周期、脉冲配置、当前水表脉冲数。同时将PB_1，PB_2设置为输出引脚，默认为高电平，用于电机控制。（2）建立连接。通过向NB-IoT模块SIM7020发送AT连接指令，使用MQTT协议与阿里云物联网平台建立连接，向物联网云平台注册设备信息，建立连接。（3）数据采集。当有水流流过水表时，产生TIM2中断，完成水流量脉冲的计数，同时将采集到的脉冲数与当前EEPROM中存储的脉冲数进行累加，更新EEPROM中脉冲数据，防止断网或者数据发送失败时数据丢失。当TIM1定时器溢出，重新通过MQTT与物联网云平台建立连接，再次发送当前水表流量，成功之后进入低功耗睡眠，NB-IoT模块进入PSM模式。（4）数据接收。监听来自阿里云物联网平台的指令，当收到打开或者关闭指令时，驱动电机，对水流阀门进行关闭、打开操作。主控芯片STM8L151通过控制PB_1、PB_2引脚电平的高低，来驱动电机正转、反转与停止。设PB_1、PB_2引脚的电平分别为PB1,PB2，高电平为1，低电平为0。电机的4种状态分别为：（a）当PB1=1，PB2=1时，电机停止；（b）当PB1=1，PB2=0时，电机正转；（c）当PB1=0，PB2=1时，电机反转；（d）当PB1=0，PB2=0时，电机减速。

        图1软件主程序流程
        4.2系统中心节点软件设计
        系统的中心节点(汇节点)是系统软件设计的重要组成部分，将传感器模块采集的数据和信息进行接收、处理和传送;系统首先将初始化CC2530通讯芯片，查询是否建立好相应的网络，若建立好相应的网络系统，则将对数据进行接收并且将数据进行打包发送到内置中移动卡的GPRS模块当中。
        5智能水表未来发展方向
        从智能水表中系统硬件配置和网络化现状来看，智能水表朝着经济适用、数据共享的方向发展，进一步提升了智能水表的性能。在当前社会生产能力不断提升的前提下，智能水表作为网络技术发展的产物，最终会走向千家万户，朝着平民化的方向发展。因此，在智能水表发展过程中，需要不断开发其经济性和实用性的功能。但就目前而言，受到市场、资金、技术以及推广等因素的影响，传统水表已经应用范围比较广泛，成为人们的首选。单流束式水表整体结构比较简单，占用空间比较小，与其他水表相比，具有很高的性价比，并且重量很小。在当前生产工艺不断提升的前提下，实现了大规模的批量生产，质量合格率不断提升，成本不断降低，大大提高了产品的可靠性，延长了产品的寿命。并且初级计量元件传感器安装操作方式简单，数据采集精度很高，具有良好的工艺性，可以开发出高精度的基表。非磁敏式传感器技术水平比较高，质量和性能可以满足实际运行的基本要求。通过以上论述，智能水表的网络化提升了双方实时沟通的效率，读写卡的应用提升双方信息互动交流的效率，控制阀的应用，帮助智能水表远程控制。因此，管理部门需要不断引进先进的互联网技术，应用数据处理软件，建立完善的智能水表系统，进一步提升智能水表应用的广度和深度。随着当前水资源集约化利用程度不断提升，水资源利用数据不再是一个局部或者区域关注的问题，这就要求管理部门建立完善的水资源管理信息数据分享信息平台，采用标准化和模块化的处理软件，提升数据的标准化水平，满足水务管理多样化的需求，发挥管理软件的重要作用，实现水务管理的跨区域合作与交流。
        结语
        物联网时代着重体现人物相连，物联网水表通过其自身优势，将表具、用户、水务等相互连接起来，构建协和统一的体系。随着近年国家发改委、住建部印发《关于加快建立完善城镇居民用水阶梯价格制度的指导意见》，提出的“一户一表”的改造理念，物联网智能水表的应用将会更加广泛;同时，随着大数据、云计算平台的出现，使用物联网智能水表实现对用户居民用水情况的实时监控，能够更好地体现“智慧城市”、“智慧水务”的思想，让用户用水信息情况透明化，方便居民核查以及水务部门对水资源的管理和调度。
        参考文献：
        [1]李倩.基于物联网对智能家居远程控制系统设计[J].电子技术与软件工程,2019（5）：2.
        [2]许生,李富华.基于物联网的智能消防监控系统设计[J].自动化与仪表,2019,34（3）：79-83.
        [3]林志良,钱光,罗艳,等.基于物联网的智能水网自动化计量监控管理系统[J].中国给水排水,2017,33（18）：115-119.
        [4]李诺.NB-IoT技术在智能水表领域的应用研究[J].中国新通信,2018,20（5）：123-125.
        [5]朱沛，李波翰.城区智能远传水表应用系统的设计与实现[J].中国给水排水,2018,33（22）：19-23.
        [6]毛涛，张生.基于物联网的智能水表系统设计与实现[J].信息技术,2019,41（7）：175-178.