基于CW32L031的NB無(wú)磁水表方案設(shè)計(jì)

基于CW32L031的NB-IoT水表設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

【前言】

目前，所有的供水行業(yè)主要是通過(guò)水表來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)收費(fèi)的，因此，水表的安全、可靠性、準(zhǔn)確計(jì)量和科學(xué)規(guī)范管理十分重要。

相比于傳統(tǒng)水表，水表采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，無(wú)需人工抄表，可提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；NB-IOT 物聯(lián)網(wǎng)水表采集頻率高，可實(shí)時(shí)反映用戶家中用水情況；此外上傳數(shù)據(jù)安全牢靠，從而為供水管理部門(mén)科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)支持。隨著NB-loT 芯片模組價(jià)格下降，應(yīng)用不斷成熟，以及智慧水務(wù)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，NB-IoT 水表的新增和更新需求將會(huì)越來(lái)越多。 水表的數(shù)據(jù)傳輸方式有：GPRS、CDMA、NB-IoT。NB-IoT 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)比 GSM 強(qiáng) 20dB 以上的覆蓋增益，覆蓋面積擴(kuò)大 100 倍，地下車庫(kù)、地下管道均能覆蓋到。 選擇 NB-IoT 傳輸?shù)牧硪辉蚴堑凸?，NB-IoT 終端如每天發(fā)送一次 200Byte 報(bào)文，AA 電池待機(jī)時(shí)間有 10 年之久。 因智能水表上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，只需 1 或 3 天上報(bào)一次數(shù)據(jù)即可， 所以 NB-loT 技術(shù)非常適合應(yīng)用在智能水表中。

在選型過(guò)程中，無(wú)意間看到CW32生態(tài)社區(qū)里有CW32L031系列的推廣活動(dòng)，然后就去查閱了CW32L031的數(shù)據(jù)手冊(cè)及宣傳手冊(cè)，看到其深度休眠模式下最低可達(dá)到0.45uA，且只需4us的超低功耗喚醒時(shí)間。其ADC精度也還蠻高，其有效位數(shù)可達(dá)到11.3，IO口和FLASH資源也都?jí)蛴茫员е囈辉嚨膽B(tài)度開(kāi)始開(kāi)發(fā)。

【設(shè)計(jì)流程】

第一步：總體方案設(shè)計(jì)

此方案中，將 NB-IoT 模組集成至電路板中，由運(yùn)營(yíng)商提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，解決水司無(wú)線網(wǎng)絡(luò)維護(hù)難問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)漏損監(jiān)測(cè)控制，降低管網(wǎng)漏損率。 無(wú)磁 NB-IoT 水表通過(guò)基站與云平臺(tái)建立連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺(tái)，而終端可通過(guò)訪問(wèn)平臺(tái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可在不同的應(yīng)用上進(jìn)行呈現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)總框圖如圖1 所示：

圖1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總框圖

第二步：硬件設(shè)計(jì)及PCB制板

硬件部分主要包括：主芯片、電源、NB模塊、存儲(chǔ)電路、無(wú)線通信模塊、紅外通訊模塊、調(diào)試接口、SIM 卡等部分組成。使得水表具有無(wú)磁計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無(wú)線通信等功能。 主芯片負(fù)責(zé)采集無(wú)磁模塊輸出的波形，選用CW32L031芯片，L031是武漢芯源半導(dǎo)體有限公司推出的一款低功耗產(chǎn)品，ARM? Cortex?-M0+內(nèi)核，工作電壓可低至1.65V， 且含有三路低功耗 UART，支持小數(shù)波特率，支持 LIN 通信接口，一路 SPI 接口 12Mbit/s， 一路 I2C 接口 1Mbit/s，內(nèi)置 IR 調(diào)制器，最低功耗可達(dá)到0.4μA。數(shù)據(jù)通信采用NB-IoT技術(shù)，用的是MN316模塊。無(wú)磁計(jì)量模塊采用的是Hall元件和葉輪搭配實(shí)現(xiàn)水流的計(jì)量。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

根據(jù)硬件原理框圖，設(shè)計(jì)相關(guān)原理圖，實(shí)物圖及原理圖如題3、4所示：

圖3 NB-IOT水表實(shí)物圖

圖4 NB-IOT水表原理圖

第三步：軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化的設(shè)計(jì)流程，包括：主程序、初始化模塊、無(wú)磁計(jì)量模塊、無(wú)線通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、紅外接口模塊以及遠(yuǎn)傳協(xié)議解析模塊。主程序負(fù)責(zé)水表系統(tǒng)在上電以后首先初始化各個(gè)模塊相應(yīng)端口的電平參數(shù)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 EEPROM 中，可存儲(chǔ)水表的各詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、默認(rèn)參數(shù)、上線類型、故障（復(fù)位）記錄等。具體程序結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 程序組成圖

第四步：下載調(diào)試

本水表板是需要結(jié)合水表基表進(jìn)行測(cè)試的，測(cè)試時(shí)需要用紅外和平臺(tái)同時(shí)測(cè)試。物聯(lián)網(wǎng)水表電子模塊焊接完成后，將整表放置在氣動(dòng)走字工裝上，并記錄基表部分的初始機(jī)械讀數(shù)。運(yùn)行一段時(shí)間后，通過(guò)觸發(fā)水表上的按鍵開(kāi)關(guān)，將物聯(lián)網(wǎng)水表的數(shù)據(jù)上傳到生產(chǎn)測(cè)試服務(wù)器上，并通過(guò)顯示裝置將表內(nèi)所有的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。顯示的數(shù)據(jù)包括水表的累計(jì)用量、電池電壓、信號(hào)強(qiáng)度、物聯(lián)網(wǎng)卡號(hào)、表狀態(tài)字等，生產(chǎn)檢測(cè)人員通過(guò)上傳的數(shù)據(jù)累計(jì)用量，比對(duì)機(jī)械讀數(shù)，機(jī)電對(duì)比判斷水表計(jì)量是否準(zhǔn)確；通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度大致判斷表內(nèi)的天線是否焊接好；通過(guò)表狀態(tài)字判斷表內(nèi)是否有異常報(bào)警。如果水表的計(jì)量及通訊功能正常，再通過(guò)工裝或者生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)控制水表的開(kāi)關(guān)閥，在所有的功能檢測(cè)完成后，系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)水表的生產(chǎn)測(cè)試模塊自動(dòng)切換成出廠運(yùn)行模式，并測(cè)試出廠運(yùn)行模式的通訊功能，保證參數(shù)設(shè)置正確。也可以通過(guò)專用的測(cè)試工裝來(lái)測(cè)試物聯(lián)網(wǎng)水表的相關(guān)功能和設(shè)置水表的參數(shù)。

功能測(cè)試完成后，我們也可以通過(guò)上傳的數(shù)據(jù)分析表端的信號(hào)強(qiáng)度、電池的狀態(tài)及表端的故障標(biāo)志，再通過(guò)電流測(cè)試設(shè)備測(cè)試整機(jī)的平均功耗，保證所有出廠的物聯(lián)網(wǎng)水表功能及性能都是合格的，最后將測(cè)試的數(shù)據(jù)及表檔案登記、存儲(chǔ)，以便所有的出廠的表都有據(jù)可查。

【結(jié)語(yǔ)】

本文的設(shè)計(jì)是基于 NB-IoT 通訊的無(wú)磁物聯(lián)網(wǎng)水表，其特點(diǎn)是低功耗，計(jì)量精度高、無(wú)磁干擾，可做到數(shù)據(jù)可靠傳輸，也可做到居民用戶的深度覆蓋，在通訊上比GPRS和CDMA的覆蓋面積和信號(hào)強(qiáng)度都好，在一定程度上改善了傳統(tǒng)管理模式的種種弊端，符合我國(guó)的基本國(guó)情，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

審核編輯：湯梓紅