基于CW32L031的NB-IoT水表設計開發(fā)

【前言】

目前，所有的供水行業(yè)主要是通過水表來進行計數(shù)收費的，因此，水表的安全、可靠性、準確計量和科學規(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，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳，無需人工抄表，可提高數(shù)據(jù)準確性；NB-IOT 物聯(lián)網(wǎng)水表采集頻率高，可實時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科學決策提供數(shù)據(jù)支持。隨著NB-loT 芯片模組價格下降，應用不斷成熟，以及智慧水務建設的持續(xù)推進，NB-IoT 水表的新增和更新需求將會越來越多。 水表的數(shù)據(jù)傳輸方式有：GPRS、CDMA、NB-IoT。NB-IoT 技術能實現(xiàn)比 GSM 強 20dB 以上的覆蓋增益，覆蓋面積擴大 100 倍，地下車庫、地下管道均能覆蓋到。 選擇 NB-IoT 傳輸?shù)牧硪辉蚴堑凸模琋B-IoT 終端如每天發(fā)送一次 200Byte 報文，AA 電池待機時間有 10 年之久。 因智能水表上報數(shù)據(jù)時，只需 1 或 3 天上報一次數(shù)據(jù)即可， 所以 NB-loT 技術非常適合應用在智能水表中。

在選型過程中，無意間看到CW32生態(tài)社區(qū)里有CW32L031系列的推廣活動，然后就去查閱了CW32L031的數(shù)據(jù)手冊及宣傳手冊，看到其深度休眠模式下最低可達到0.45uA，且只需4us的超低功耗喚醒時間。其ADC精度也還蠻高，其有效位數(shù)可達到11.3，IO口和FLASH資源也都夠用，所以抱著試一試的態(tài)度開始開發(fā)。

【設計流程】

第一步：總體方案設計

此方案中，將 NB-IoT 模組集成至電路板中，由運營商提供網(wǎng)絡服務，解決水司無線網(wǎng)絡維護難問題，實現(xiàn)漏損監(jiān)測控制，降低管網(wǎng)漏損率。 無磁 NB-IoT 水表通過基站與云平臺建立連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺，而終端可通過訪問平臺獲取相關數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可在不同的應用上進行呈現(xiàn)。 本設計系統(tǒng)總框圖如圖1 所示：

圖1 設計系統(tǒng)總框圖

第二步：硬件設計及PCB制板

硬件部分主要包括：主芯片、電源、NB模塊、存儲電路、無線通信模塊、紅外通訊模塊、調(diào)試接口、SIM 卡等部分組成。使得水表具有無磁計量、數(shù)據(jù)存儲、無線通信等功能。 主芯片負責采集無磁模塊輸出的波形，選用CW32L031芯片，L031是武漢芯源半導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，最低功耗可達到0.4μA。數(shù)據(jù)通信采用NB-IoT技術，用的是MN316模塊。無磁計量模塊采用的是Hall元件和葉輪搭配實現(xiàn)水流的計量。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，設計相關原理圖，實物圖及原理圖如題3、4所示：

圖3 NB-IOT水表實物圖

圖4 NB-IOT水表原理圖

第三步：軟件設計

采用模塊化的設計流程，包括：主程序、初始化模塊、無磁計量模塊、無線通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、紅外接口模塊以及遠傳協(xié)議解析模塊。主程序負責水表系統(tǒng)在上電以后首先初始化各個模塊相應端口的電平參數(shù)。 數(shù)據(jù)存儲在 EEPROM 中，可存儲水表的各詳細數(shù)據(jù)，包括實時數(shù)據(jù)、默認參數(shù)、上線類型、故障（復位）記錄等。具體程序結構如圖5所示：

圖5 程序組成圖

第四步：下載調(diào)試

本水表板是需要結合水表基表進行測試的，測試時需要用紅外和平臺同時測試。物聯(lián)網(wǎng)水表電子模塊焊接完成后，將整表放置在氣動走字工裝上，并記錄基表部分的初始機械讀數(shù)。運行一段時間后，通過觸發(fā)水表上的按鍵開關，將物聯(lián)網(wǎng)水表的數(shù)據(jù)上傳到生產(chǎn)測試服務器上，并通過顯示裝置將表內(nèi)所有的數(shù)據(jù)顯示出來。顯示的數(shù)據(jù)包括水表的累計用量、電池電壓、信號強度、物聯(lián)網(wǎng)卡號、表狀態(tài)字等，生產(chǎn)檢測人員通過上傳的數(shù)據(jù)累計用量，比對機械讀數(shù)，機電對比判斷水表計量是否準確；通過信號強度大致判斷表內(nèi)的天線是否焊接好；通過表狀態(tài)字判斷表內(nèi)是否有異常報警。如果水表的計量及通訊功能正常，再通過工裝或者生產(chǎn)測試系統(tǒng)來控制水表的開關閥，在所有的功能檢測完成后，系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)水表的生產(chǎn)測試模塊自動切換成出廠運行模式，并測試出廠運行模式的通訊功能，保證參數(shù)設置正確。也可以通過專用的測試工裝來測試物聯(lián)網(wǎng)水表的相關功能和設置水表的參數(shù)。

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

【結語】

本文的設計是基于 NB-IoT 通訊的無磁物聯(lián)網(wǎng)水表，其特點是低功耗，計量精度高、無磁干擾，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的覆蓋面積和信號強度都好，在一定程度上改善了傳統(tǒng)管理模式的種種弊端，符合我國的基本國情，有很強的實用價值。

審核編輯：湯梓紅