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引言

物聯(lián)網(wǎng)( Internet of Things，IoT) 和互聯(lián)網(wǎng)二者之間雖有一字之差卻有很大的關(guān)聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是指物品通過(guò)無(wú)線傳感器等信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，被越來(lái)越多地應(yīng)用到工業(yè)、醫(yī)療、園藝等領(lǐng)域。近年智能水表快速發(fā)展，2014 年，智能水表的產(chǎn)量為1243 萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)達(dá)到17.6%。由于南北的地域差異化，南方地區(qū)主要是以遠(yuǎn)傳水表位主，而北方主要以智能卡式預(yù)付費(fèi)的水表為主。

物聯(lián)網(wǎng)水表是一款新型的智能水表，與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)傳水表和智能水表相比，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)易以及易于數(shù)據(jù)采集和分析等優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)水表舊模式下，水表表?yè)?jù)傳輸是需要數(shù)據(jù)線、手持機(jī)、中繼器以及集中器的共同作用才能下進(jìn)行工作，在安裝使用過(guò)程中任何一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都是會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題，致使水表的后期維護(hù)要求和成本增加。而在物聯(lián)網(wǎng)水表的設(shè)計(jì)安裝中，無(wú)需打孔、布線等現(xiàn)場(chǎng)操作，只需將表具安裝在管道上即可，所有的數(shù)據(jù)信息采集、處理及調(diào)試都通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在計(jì)算機(jī)終端完成。

物聯(lián)網(wǎng)水表系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本次設(shè)計(jì)的新型物聯(lián)網(wǎng)水表總體框架主要是由表具內(nèi)置的無(wú)線傳感器、GSM 無(wú)線傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)( B/S 架構(gòu)) 以及企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)四大部分構(gòu)成。現(xiàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù)的采集由無(wú)線傳感器完成，各組成模塊相互協(xié)作，共同完成對(duì)居民水表使用數(shù)據(jù)的采集、傳輸及分析。該表可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳操控，從水表直接連接云端，對(duì)用戶水表進(jìn)行抄表控制，省去了以往傳統(tǒng)模式下的“抄水表”。系統(tǒng)整體框架可分為感知層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表示層。系統(tǒng)整體框架圖如圖1 所示。

①　系統(tǒng)感知層，水表內(nèi)部的溫度傳感器和流量采集傳感器通過(guò)傳感器的路由節(jié)點(diǎn)來(lái)收集居民所用水的實(shí)時(shí)溫度以及居民用水量等數(shù)據(jù)信息，各節(jié)點(diǎn)之間采用的是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便可以選擇一條最優(yōu)的路徑傳輸數(shù)據(jù)，在ZigBee 技術(shù)的配合下將各傳感器節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)之間實(shí)行無(wú)線通信； 匯節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)MCU 控制將數(shù)據(jù)匯總之后傳輸?shù)綉?yīng)用層的GSM通信模塊數(shù)據(jù)終端。

②　當(dāng)感知層傳感器各節(jié)點(diǎn)完成信息采集后，數(shù)據(jù)將會(huì)被傳輸至應(yīng)用層和表示層，應(yīng)用層和表示層將接受到的信息在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)( B /S 架構(gòu)) 上的設(shè)備上遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示。B /S 架構(gòu)建立在廣域網(wǎng)上，面向不同的用戶群，設(shè)計(jì)的范圍很廣，而水表的使用也正是地域廣，分布散的特點(diǎn)。

③　相對(duì)C /S 架構(gòu)而言，B /S 架構(gòu)中工作界面可以通過(guò)瀏覽器進(jìn)行操作，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和使用。在系統(tǒng)感知層和應(yīng)用層之間存在網(wǎng)絡(luò)層，主要功能是當(dāng)感知層傳感器節(jié)點(diǎn)收集好數(shù)據(jù)后，將會(huì)把數(shù)據(jù)先傳輸給中移動(dòng)GSM 無(wú)線傳輸模塊，在通過(guò)GPＲS 網(wǎng)絡(luò)后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，再傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從感知層到應(yīng)用層或者表示層的傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)水表硬件系統(tǒng)架構(gòu)

流量采集

物聯(lián)網(wǎng)智能水表的主要功能是實(shí)現(xiàn)用戶用水量的采集，即流量的采樣功能。模塊采用超聲波換能器( 1MHz) 獲取流量信號(hào)，采用6902 芯片測(cè)量管內(nèi)聲波正程、逆程時(shí)間，計(jì)算時(shí)差，再將時(shí)差信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的流量信號(hào)，同時(shí)通過(guò)硬件補(bǔ)償、軟件修正的方式保證在每段流量范圍內(nèi)，都能達(dá)到符合要求的測(cè)量精度。流量采樣分三種模式: “用戶模式”、“檢定模式”、“快速采樣模式”，在“檢定模式”和“快速采樣模式”下，換能器的采樣頻率1 /125ms，以保證測(cè)量的精度; 在“用戶模式”下，換能器的采樣頻率為1 次/500ms。流量校準(zhǔn)時(shí)，實(shí)際流量與標(biāo)準(zhǔn)流量的誤差不得超過(guò)20%; 在“檢定模式”下，若停止測(cè)量超過(guò)10秒，則再次啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，測(cè)試流量從0 開(kāi)始計(jì)數(shù)，測(cè)試流量與累積流量互不影響，“檢定模式”下累積流量也累加。

溫度采樣

物聯(lián)網(wǎng)水表不僅可以顯示用戶用水量，還可以顯示所用水的溫度情況，采用一只Pt1000 的溫度傳感器，使用恒流源式測(cè)溫電路，設(shè)定聲速反推溫度作為后補(bǔ)。溫度采樣同樣分為三種模式，為“用戶模式”、“檢定模式”和“快速采樣模式”。在“檢定模式”與“快速采樣模式”下，溫度傳感器的采樣頻率為1 次/6s，以保證測(cè)量的精度; 在“用戶模式”下，溫度傳感器的采樣頻率為1 次/30s，以降低整機(jī)的功耗。當(dāng)溫度傳感器發(fā)生( 短路、斷路) 故障時(shí)，報(bào)警溫度出錯(cuò)，同時(shí)采用聲速反推的溫度作為表計(jì)溫度，以確保流量采樣正常進(jìn)行。電路圖如圖2 所示。

系統(tǒng)通訊及數(shù)據(jù)采集

水表通信系統(tǒng)基于ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)和內(nèi)置的中移動(dòng)GSM 卡及無(wú)線通信模塊協(xié)同作業(yè)的模式。ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊采用CC2530 主流通信芯片，并且使用網(wǎng)狀拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，將各水表的路由節(jié)點(diǎn)采集的信息結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。

物聯(lián)網(wǎng)水表硬件處理器采用MSP430F448 單片機(jī)，具有低電壓、超低功耗性能等優(yōu)點(diǎn)。低功耗特性體現(xiàn)如下: 第一，芯片的CPU 和其他功能模塊可以在不同的時(shí)鐘進(jìn)行工作，使其在低頻的工作模式下可以降低功耗; 第二，由于水表功能模塊較多，將產(chǎn)生多種復(fù)雜的中斷，使用MSP430 主控芯片可以盡可能的適應(yīng)各種中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求。MSP43 和CC2530 芯片可以共同通過(guò)串口的通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的收發(fā)。當(dāng)感知層采集數(shù)據(jù)后通過(guò)模塊轉(zhuǎn)換，由RS232接口將信息傳遞給中移動(dòng)GSM 卡的無(wú)線傳輸模塊，經(jīng)過(guò)內(nèi)置的TCP /IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包后以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)GPRS/Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的控制中心。硬件處理器和ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊相互結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水表自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥以及對(duì)水表上電、掉電和低壓檢測(cè)的自動(dòng)控制操作。