摘要:随着经济和信息技术的快速发展,随着物联网技术的兴起,信息产业的第三次技术革命正在发生。水资源短缺已经成为我国社会经济发展的主要制约因素之一,随着工业化进程的不断加快,水资源短缺形式将更加严峻。在这种严峻的形势下,环保理念、节水意识逐步深入人心,无论从践行低碳环保行为上,还是节省水费开支上,节约用水都是势在必行的。随着我国城市建设的快速发展、城市人口和高层建筑也在不断增多,计算机技术、微电子技术、信息化网络技术的研发带动了高科技产品的不断涌现,现在很多城市建筑已经实现了楼宇自动化,一些高科技产品已经成为现代智能建筑和智能小区的必备条件,其中就包括智能水表。
关键词:智能水表;物联网;系统设计
引言
设计采用最新的低功耗广域网通讯技术NB-IoT无线通讯协议作为数据传输的解决方案,将所有水表全部与云端连接,实现统一数据管理和控制。解决了传统水表缴纳水费流程麻烦、需要抄表、难以维护等问题。低功耗的设计方案可以不要要额外接入电源,只需要一节AA电池就可以使智能水表工作超过6年。而用户对水流量的使用的数据都会上传至云端,将数据储存下来,可以对数据进行分析,预测用户对水使用的需求,将会在水资源的调度上更加的准确,可以很好的避免缺水的情况发生。
1软件设计
基于NB-IoT的智能终端水表(以下简称NB-IoT水表)具有脉冲计数计算用水量、NB-IoT无线通信、段式LCD显示、参数存储等功能,主要功能是用户利用云平台网上缴费和通过NB-IoT无线通信实现后台服务器和水表数据交互。系统检测任务是整个系统的重要组成部分。为了满足功耗需求,系统加测任务一秒钟启动一次,通过MCU的RTC模块控制,系统唤醒后干簧管模块采水流量的数据,AD模块每30秒检测一次电源电压,若电压低于设点值,将会触发系统报警。检测用户的余额是否充足,若余额低于一个设定值,将一个报警信息发送到云端,若低于0就会关闭阀门,阀门的开关使用异步的方式操作,一秒钟检测一次阀门位置是否到达极限的位置,若是到达了,关闭阀门驱动的电源。数据交互程序又分为控制命令和透传数据两种,MCU通过控制命令BC95模组的状态和控制BC95模块,透传的数据通过NB模块直接上传到云平台。上传数据需要注意,传输的数据必须是十六进制。然后MCU的字节序是小端而云平台是大端的,数据的范围不要超过profile文件中的限制,否则平台会自动过滤掉不符合规定的数据。云平台下发的数据会通过模块发送给MCU,通过是否是+NNMI开头来断定是否是来自平台的数据,并且每个命令的数据格式都是不同的,所以需要不同函数来解析和响应这些命令。当系统处于待机状态下时,来自云端的数据并不能被NB模块接收,所以需要一个在云平台和终端设备之间需要一个心跳任务存在,终端在一个小时的时间去查询云端是否有数据要发送给NB-IoT终端设备。
2水表管理控制云平台
水表管理控制云平台是一个中央控制和管理类系统,负责控制和管理整个智能水表和网关区域设备的运行。该系统是一套由计算机系统、系统管理软件、应用软件行业数据库组成抄表管理和控制系统。主要功包括:信息管理、运行管理、统计分析、数据导出等功能。系统采用B/S架构的设计方式,通过现场读取水表检测的数据来进行分析和管理。系统强大的管理和控制功能使管理部门能够摆脱繁琐的人工抄录的方式,降低人力成本的投入,还能实现自动化水务管理,在线检测水资源利用情况,避免造成漏水浪费水资源的情况发生。
3系统硬件设计
本系统的主控芯片采用STM8L101F3,采用专有超低漏电流工艺,动态运行模式最大150μA/MHz,利用最低功耗模式实现了超低功耗(0.30μA),基于16MHz专用STM8内核,具有8KBFlash程序存储器、1.5KBSRAM和多至2KB的数据EEPROM以及广泛的增强的外围设备和I/O,通讯方式支持同步串行接口(SPI),采用3.7V电池供电,更好的满足本系统的低功耗设计要求.智能水表具有水流量数据采集模块、无线数据收发模块、电机驱动模块以及电路监控模块组成,为了实现通过后台管理系统或者移动端应用对水流开关的远程控制,将传统水表进行改造,增加电机驱动的水阀开关.当通过后台管理系统或者移动端应用发送设备控制指令之后,SIM7020模块接收到指令,通知STM8L101F3芯片通过控制电机的转动来实现水阀的开关.电机驱动芯片采用专为驱动小电流直流马达的IMX116芯片,可实现对负载直流电机正转、反转、刹车以及待机4个功能的控制,待机情况下电路功耗极低(小于1μA),其中IN1引脚、IN2引脚分别与STM8L101F3芯片的PB_1,PB_2相连,通过控制IN1引脚、IN2引脚电平的高低来控制电机的转动。
4链路层
链路层主要有2种数据格式,即格式A和格式B,可以通过检测同步码和同步码序列来判断具体格式。格式A和格式B主要由3个部分组成,分别是Firstblock、Secondblock和Optionalblock。Firstblock包含了终端设备必要的控制信息和地址信息,Secondblock和Optionalblock为用户的私有数据。
5使用扩频技术
使用扩频技术,抗噪能力强使用高达6-12的扩频因子,LoRa技术将小容量数据通过宽大的无线电频谱传送信号。LoRa的扩频调至器将数据包的每一位数据馈送如“扩展器”里,将每一位BIT时间划分为众多的码片。拖过扩频技术产生的无线电波在频谱仪上看起来像噪声,基于此,数据实际上可以从噪声中提取出来。扩频因子越高,越多的数据能从噪声中提取出来,从而数据的可靠性越强,抗噪声能力越强大。
6切换LoRa工作状态,保障低功耗
为了保证智能水表低功耗的状态,因此需要对LoRa切换工作状态的技术进行研发,达到休眠模式下的功耗只有8uA左右。采用的方案是在发送数据的工作模式下,LoRa则采用扩频技术,信噪比要求低,信号收发时间短,每天会随机时间唤醒上传数据避免信道冲突。在非工作模式下,LoRa节点可以进入休眠模式,达到契合电池供电产品的形态。
结语
随着智慧城市建设的加速推进,智能水表的应用将是水务管理发展的必然需求。智能水表的发展经历了从有线通信方式,完成了系统系统各部分的硬件电路设计;在硬件设计的基础上完成了系统软件设计;最后完成了系统实验样机的制作和测试。测试结果验证了系统设计的正确性。每种技术都有自己的特色和适用场景。该文只从终端设备的成本和使用寿命角度进行了研究,没有考虑其他因素的影响,在未来的研究中,可以综合其他方面的因素深入研究物联网技术在智能水表中应用。
参考文献:
[1]吴琦.NB-IoT技术在物联网智能水表领域的应用[J].南方农机,2020,51(2):195-196,199.
[2]何遥.物联网技术的发展[J].中国公共安全,2019(11):138-143.
[3]付建文,蒋昱麒.基于LoRa技术的远程抄表系统设计[J].电子设计工程,2019,27(15):157-160,165.
[4]谭志华.NB-IoT技术在智能水表领域中的应用研究[J].中国新技术新产品,2019(22):27-28.
[5]李陆杨,杨洋,付曜,等.基于物联网的在线连续烟道气体污染物监测系统[J].中国仪器仪表,2019(2):26-29.