一种基于窄带物联网的智能水表设计

黄伟 彭晓宏 张明明 侯立刚 耿淑琴

关键词： 智能水表; NB_IoT; 家庭物联网; 电源管理电路; 数据采集电路; 信息上传

中图分类号： TN915?34                     文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）14?0169?04

Design of intelligent water meter based on narrow?band IoT

HUANG Wei， PENG Xiaohong， ZHANG Mingming， HOU Ligang， GENG Shuqin

（School of Microelectronics， Beijing University of Technology， Beijing 100022， China）

Abstract：In order to connect the intelligent water meter into the family internet of things （IoT）， and overcome the problem that the traditional water meter is easy to corrode and can not upload the work information of the water meter to users in time， an intelligent water meter based on NB_IoT is designed in this paper. The intelligent water meter mainly consists of five parts： power management circuit， valve switch automatic control circuit， data acquisition circuit， battery power detection circuit and NB_IoT module driving circuit. The ultra?low power consumption single?chip STM2L073 is used in intelligent water meter as its core processor. The intelligent water meter uploads the water usage and battery power information to the client every 30 minutes. When the users′ funds is insufficient or the battery power is low， the intelligent water meter automatically closes the valve and uploads warning information to the clients. If the users′ funds is recharged， the water meter automatically opens the valve. When the intelligent water meter does not communicate with the client， the MCU software sets the NB_IoT module to sleep mode， so as to greatly reduce the power consumption of the system and prolong the battery life.

Keywords： intelligent water meter; NB_IoT; family IoT; power management circuit; data acquisition circuit; information uploading

0  引  言

目前智能水表主要分為卡式水表、短信表及远程水表3种类型。卡式水表是一种相对传统的类型， 它受制于工作模式及硬件设备的多重制约;此外，表在很大程度上容易被腐蚀， 在一定程度上影响了读卡的精确性[1]。短信表是当今较为新潮的智能水表，但有两方面的不足：一是由于短信模块功耗较高， 为了延长电池的使用时间， 短信表设计时采用每天上线一次的工作方式， 这样会导致在表具上线时间以外发的短信，第二天表具才能回复;二是电源问题还没有彻底解决， 水表本身需电池供电。目前市场上主流的智能远程水表主要分为有线及无线两大类[2?3]，它们实现了便捷抄表以及远程控制水表的阀门操作， 但是，这种智能水表无法与家庭智能系统相连接，用户不能及时了解到水表的使用状况，可能会出现超额后断水的情况，因此使用起来不是很方便。

针对以上方法的不足，本文提出一种基于窄带物联网的智能水表的设计方法，实现了智能采集数据信息、智能控制阀门开关、增加电池电量使用时间以及将智能水表连入家庭物联网上传水表信息给用户端等多种优秀性能。

1  智能水表总体方案设计

智能水表整体方案设计图如图1所示，单片微控制器使用STM32L073单片机，采用专门设计的电池电量检测电路来监测电池电量。阀门硬件驱动采用H桥式电路来控制电机正反转，从而实现阀门开关控制，水表使用量采用中断方式来读取。智能水表的工作信息通过NB_IoT模块发送给用户端[4]，因此用户端可以方便地看到水表的电池电量、用水量和阀门状态等信息。

2  硬件电路设计

智能水表硬件部分设计分为电源管理电路设计、阀门硬件驱动电路设计、数据采集驱动电路设计、电池电量检测电路设计和NB_IoT控制电路设计，下面对各部分电路设计进行详细介绍。

2.1  电源管理电路设计

智能水表采用STM32L073单片机系统，具有超低功耗、外设丰富等特点[5?6]，适用于家庭物联网设备。系统总电源采用5 V电源供电，但该单片机只能承受3.3 V电压，因此本文设计了电源管理电路将5 V电源电压转化为3.3 V，给单片机系统供电。电源管理电路图如图2所示。

2.2  阀门硬件驱动电路设计

阀门开关驱动电路采用H桥式结构[7]，单片机使用两个I/O输出控制信号。单片机PA11输出高电平，PA12输出低电平时，Q2导通 Q1截止，电路左端输出高电平，右端输出低电平，此时电机正转阀门被打开。反之，阀门被关闭。

单片机使用一个上拉的I/O作为阀门状态检测I/O口，当阀门打开时，会将单片机I/O电平拉低，否则单片机I/O保持高电平状态，由此判断阀门是打开或关闭状态。阀门控制驱动电路图如图3所示。

2.3  数据采集驱动电路设计

单片机使用两个上拉的I/O作为数据采集I/O口，其中一个I/O被配置为中断模式。流体传感器会带动表齿轮转动，当电表转过一圈时，会拉低中断模式的I/O口电平，从而产生中断。然后单片机读取另一个I/O口电平状态，如果为高电平则检测到水表已经转了一圈。数据采集电路如图4所示。

2.4  电池电量检测电路设计

单片机使用一个I/O口来控制电池电量检测电路的通断，当BatVoltDetEn端口为高电平时，Q4导通，Vba_volt端口会输出一个电压值。单片机的ADC通道会检测到这个电压值[8]，并转换成数字信号传给单片机。电池电量检测电路如图5所示。

2.5  NB_IoT控制电路设计

智能水表使用WH?NB73 NB_IoT模块和家庭物联网进行数据上传和下载，单片机使用串口与模块进行通信。NB_IoT驱动电路如图6所示。

3  软件设计

软件设计采用C语言进行开发，开发环境使用IAR集成开发环境[9?10]。智能水表软件设计主要分为客户端和水表通信帧格式设计以及单片机控制软件设计两部分。

3.1  数据帧格式

智能水表和客户端通信数据帧长度为13 B，包括帧头、帧尾、帧类型、CRC校验、水表工作信息等。其中帧类型分为正常上传数据帧和警告数据帧。智能水表与用户端通信格式帧如图7所示。

3.2  单片机软件设计

单片机上电后先进行各模块系统初始化，然后判断30 min计时时间是否到达，如果到了就上传一次水表用水量、电池电量等工作信息给用户端。接下来依次判断电池电量是否充足、水表齿轮是否转完一圈、余额是否充足，如果电池电量不足或余额不足，则会发送警告帧给用户端。最后会判断一次阀门开关状态，如果余额充足就会自动打开阀门。软件设计流程图如图8所示。

4  测试结果

本文对NB_IoT模块可靠性、警告帧和正常数据帧发送、阀门开关、水表所转圈数、电池电量检测功能进行了测试。测试时单片机I/O使用图如图9所示，测试结果如表1～表3所示。

测试结果：NB_IoT模块能够正常连接到运营商服务器，并上传正确水表工作信息;水表阀门实现了自动打开和关闭;电池电压检测误差在0.02 V左右，此误差可以忽略不计;水表能够精确读取所转圈数并计费。经过测试，本文设计的智能水表符合设计需求。

5  结  论

随着控制、微电子、嵌入式和无线通信等技术的发展，使得家庭物联网快速发展，智能家居产品也越来越丰富[10?12]。本文开发的基于窄带物联网的智能水表，通过NB_IoT模块和家庭物联网进行数据交互，实现了将水表用水量、电池电量等信息上传给用户，当余额不足或电池电量不足时，自动控制阀门关闭并上传警告，以及当用户充值后自动打开阀门等多种优秀功能，方便了用户的使用。本设备待机时，NB_IoT模块通过软件设置成低功耗模式，减少了系統功耗，延长了电池使用时间。

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