基于CW32L031的NB-IoT水表設計開發

【前言】

目前，所有的供水行業主要是通過水表來進行計數收費的，因此，水表的安全、可靠性、準確計量和科學規范管理十分重要。

相比于傳統水表，水表采用窄帶物聯網（NB-IoT）技術，可實現數據遠傳，無需人工抄表，可提高數據準確性；NB-IOT 物聯網水表采集頻率高，可實時反映用戶家中用水情況；此外上傳數據安全牢靠，從而為供水管理部門科學決策提供數據支持。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推進，NB-IoT 水表的新增和更新需求將會越來越多。 水表的數據傳輸方式有：GPRS、CDMA、NB-IoT。NB-IoT 技術能實現比 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 傳輸的另一原因是低功耗，NB-IoT 終端如每天發送一次 200Byte 報文，AA 電池待機時間有 10 年之久。 因智能水表上報數據時，只需 1 或 3 天上報一次數據即可， 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生態社區里有CW32L031系列的推廣活動，然后就去查閱了CW32L031的數據手冊及宣傳手冊，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，其有效位數可達到11.3，IO口和FLASH資源也都夠用，所以抱著試一試的態度開始開發。

【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，由運營商提供網絡服務，解決水司無線網絡維護難問題，實現漏損監測控制，降低管網漏損率。 無磁 NB-IoT 水表通過基站與云平臺建立連接，將數據發送至平臺，而終端可通過訪問平臺獲取相關數據，這些數據可在不同的應用上進行呈現。 本設計系統總框圖如圖1 所示：

圖1 設計系統總框圖

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、調試接口、SIM 卡等部分組成。使得水表具有無磁計量、數據存儲、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品，ARM? Cortex?-M0+內核，工作電壓可低至1.65V， 且含有三路低功耗 UART，支持小數波特率，支持 LIN 通信接口，一路 SPI 接口 12Mbit/s， 一路 I2C 接口 1Mbit/s，內置 IR 調制器，最低功耗可達到0.4μA。數據通信采用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水流的計量。系統硬件原理框圖如圖2所示：

圖2 系統硬件原理框圖

根據硬件原理框圖，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、數據存儲模塊、紅外接口模塊以及遠傳協議解析模塊。主程序負責水表系統在上電以后首先初始化各個模塊相應端口的電平參數。 數據存儲在 EEPROM 中，可存儲水表的各詳細數據，包括實時數據、默認參數、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。物聯網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。運行一段時間后，通過觸發水表上的按鍵開關，將物聯網水表的數據上傳到生產測試服務器上，并通過顯示裝置將表內所有的數據顯示出來。顯示的數據包括水表的累計用量、電池電壓、信號強度、物聯網卡號、表狀態字等，生產檢測人員通過上傳的數據累計用量，比對機械讀數，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的天線是否焊接好；通過表狀態字判斷表內是否有異常報警。如果水表的計量及通訊功能正常，再通過工裝或者生產測試系統來控制水表的開關閥，在所有的功能檢測完成后，系統將物聯網水表的生產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，保證參數設置正確。也可以通過專用的測試工裝來測試物聯網水表的相關功能和設置水表的參數。

功能測試完成后，我們也可以通過上傳的數據分析表端的信號強度、電池的狀態及表端的故障標志，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網水表功能及性能都是合格的，最后將測試的數據及表檔案登記、存儲，以便所有的出廠的表都有據可查。

【結語】

本文的設計是基于 NB-IoT 通訊的無磁物聯網水表，其特點是低功耗，計量精度高、無磁干擾，可做到數據可靠傳輸，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