单片机无磁物联网水表软件设计

来源：职称阁分类：电子论文时间：2021-01-25 16:47热度：

　　本文介绍了一种基于国产单片机和无磁传感器采样技术的物联网（NB-IOT）水表的软件设计。对水量的各种测量方法进行了比较分析，并详细描述了无磁传感器利用电磁感应原理采样电路的原理。主板采用目前国产化替代趋势的低功耗单片机，利用物联网模组空闲、连接、节能三种不同模式的切换，实现符合用户应用条件的低功耗组合模式。重点说明了如何利用无磁传感器实现计量采样的软件设计以及国产单片机低功耗软件设计在物联网中的应用。

单片机无磁物联网水表软件设计

　　关键词：计量采样；无磁水表；感应交变磁场；充放电；PSM

　　1引言

　　水量计量是国民经济的重要组成部分，是以精确进行水量计量为基础，逐步叠加计算机、无线通信、信息处理、物联网等技术的应用，从而为嵌入式产品提供出更为丰富和完整的方案，获得巨大发展契机。早期大部分的水表的传感器是采用和磁相关的传感器，比如霍尔传感器、干簧管、韦根传感器等，期特性受磁干扰影响较大，而无磁水表主要是采用电磁感应原理在旋转台附近有金属和无金属经过时的电压幅度来计算、判断旋转台的转动，形成交变磁场，产生漩涡电流，通过对旋转状态转换的计算可以得知转速和旋转的方向，从而将其转化成水流量的大小和方向，可以克服磁性传感器的缺点[1]。本文采用的是国产主板单片机，同时组合国外无磁传感器采样水量，部分实现自主、可控，在半导体领域实现国产化替代具有重要的里程碑意义和应用推广价值。

　　2无磁传感计量采样原理及软件设计

　　2.1无磁传感计量采样原理

　　水流以一定流速通过水表时，其机械叶轮的物理运动带动感应式角位传感器转动，通过部分金属化的圆盘、次级线圈、初级线圈的转动形成感应交变磁场，产生感应电压，从而产生不同的状态，通过对状态转换的计算就可以知道转速、和旋转的方向，从而将其转化成水流量的大小和水流的方向，达到水量计量的效果。图1中20a和20依次指示无磁模块PCB板的下底面和上表面，20a面布有如图2所示的印制线圈。3为活动转盘，其上表面均分为4a和4两个半圆，4a半圆面为金属材质，该转盘旋转一周代表1L水量。图2中线圈6为初级线圈、线圈7、8、9、10为次级线圈，7和9号线圈组成线圈组a，8和10号线圈组成线圈组b，6号线圈的中心轴与图2种圆盘3的中心轴同轴，7-10号线圈大小一致成对称分布。无磁模块通过线圈组a和线圈组b检测该金属面所处的位置来实现计数圆盘3的旋转圈数和旋转方向。检测原理是先给6号线圈通交变电流产生感应交变磁场B1，B1穿过线圈7-10以及4a金属半圆。根据电磁感应原理，线圈7-10依次产生感应电压V7、V8、V9、V10，由于4个次级线圈成对分布，因此理论上V7-V10大小相等。但是由于4a金属半圆面存在涡流效应，环形涡电流再次产生了交变感应磁场B2，且B2与B1方向相反，最终导致V7-V10的电压大小不再相等，无磁模块上的MCU就是通过依次测量V7与V9、V8与V10的电压区别来探测4a金属半圆面所处的位置和基于国产单片机无磁物联网水表的软件设计陈钇安杨枝友（湖南威铭能源科技有限公司产品研发部湖南省长沙市410205）旋转方向[2]。

　　2.2无磁传感计量采样软件设计

　　无磁传感计量采样软件设计是通过充放电的时间来测量电压的区别。软件设计主流程图如图3所示。2.2.1数据预处理方法由于测量数据ta和tb存在一定跳变性，为了方便后续分析判断，需要对测量数据进行平滑、稳定处理，处理方法如下：假设有队列Q可容纳10个节点，这10个节点存放了最近连续10次测量线圈组a和线圈组b得到的充放电时间ta和tb。如图4所示。_ta和_tb分别计算出平均值，计算完成后剔除ta1和tb1，待存入第11次测量值，反复循环。如图5所示2.2.2数据分析方法如图6所示。2.2.3圈数累计和方向判断方法如图7所示。线圈组a和线圈组b的摆放位置相差90°，因此两者的充放电时间曲线有π/2的相位差，定义为波峰为状态1，波谷为状态0。将这两条曲线上的波峰、波谷组合成一组二元状态序列，即可判断水量方向和金属圆盘的旋转圈数。

　　2.3试验数据

　　依据GB/T778《饮用冷水水表和热水水表》第2部分：试验方法中提出的要求，对水表的流量进行了机电转换误差试验。在常温状态下，使用半自动台体对常用流量Q3、最小流量Q1、分界流量Q2、过载流量Q4及Q2和Q4间抽取了2个点，总共6个点进行了机电转换试验，试验结果如表1。待测水表默认参数为Q3=2.5m3R100，即Q3=2500L/h，依据规范公式：Q3/Q1=100Q2/Q1=1.6Q4/Q3=1.25计算可得知Q1=25L/h、Q2=40L/h、Q4=3125L/h。依据表1的试验结果，各流量下机电转换误差值均不会超过2L，符合设计要求。实际上误差产生的原因是无磁传感器在初始上电时，不管在任何流量下始动均会产生不超过1L左右误差，这是由于无磁传感器初始上电时软件需要多冗余采样一个状态才能开始计量，且无磁模块开始计量的计量最小粒度是1L，如果机械指针的走水量有0点几升的尾数，无磁模块不会累加。所以当无磁传感器初始上电后走水超过1L，计量便开始趋于稳定状态，精度稳定可靠。

　　3单片机低功耗软件设计在物联网中的应用

　　3.1单片机硬件简介

　　无磁物联网水表分别由MCU处理单元、无磁传感计量采样单元、NB-IOT物联网模组、EPPROM数据存储、电池电压检测、远红外、红外开关等单元组成。主板硬件布局图如图8所示。其中水表整表功耗最大的影响因素是NB-IoT物联网模组的通信。如何从软件层面有效降低NB-IOT物联网模组通信的功耗是本文论述的重点。

　　3.2物联网模组低功耗原理

　　NB-IOT物联网模组有连接（CONNECT）、空闲（IDLE）、低功耗（PSM）三种不同的应用特性的状态，各状态间可以实现单向或者双向状态间的切换。NB-IOT物联网模组状态切换示意如图9所示。水表NB-IOT物联网模组在连接状态下，可以接收和发送数据，当通信中断超过一定时间阈值以后模组会自动进入到空闲状态。在空闲状态下，模组也可以接收和发送数据，当通信连接时，模组可以重新回到连接状态，当在空闲状态下通信中断继续超过一定阈值以后模组便会自动又进入到低功耗状态。在低功耗状态下，物联网模组与平台间是互相独立的，互相找不到对方，所以水表此刻非常省电，只有当水表物联网模组主动进行一次数据上报连接，才能使得模组再次进入到连接状态，也只有在连接状态时，才能接收到平台下发到水表物联网模组的控制指令。

　　3.3低功耗软件设计

　　物联网模组软件主流程如图10所示。3.3.1物联网模组初始化物联网模组初始化判断模组是否正常启动，同时确认读取到模组中SIM卡，返回正确的IMSI号，同时每隔2s查询当前的CSQ信号值、平台注册状态和PDP激活状态，如果3分钟仍无法附着上网络，则模组复位重启。3.3.2物联网模组注册模组注册过程需经历创建设备、注册设备至平台、登录成功、观测成功四个大步骤，才是正常成功注册至平台。执行过程中某个步骤如返回失败，则需先发起注销后再重新按步骤进行注册。3.3.3物联网模组psm状态当物联网模组处于连接状态便开始进行不活动计时，15s内与平台持续通信，则保持连接状态，超过15s与平台无通信则模组进入空闲状态，空闲状态再开始进行不活动计时，20s内与平台通信，则状态转换为连接状态，超过20s与平台无通信则模组进入PSM状态。需要特别指出的是，物联网水表一般是离散在一天凌晨的某个时间点定时上报数据，当上报完成处于PSM模式状态下时，水表未被唤醒，深度睡眠，此刻可以极大的降低整机功耗。

　　3.4试验数据

　　水表在出厂后，超级电容正常连接，物联网模组不进行数据上报的条件下，使用六位半试验测得整机平均静态电流为30μA。水表在出厂后，超级电容正常连接，物联网模组每天进行一次数据上报的条件下，峰值电流0.45A，平均工作电流40mA，上报时间60s。如图11所示。换算成1天，平均上报电流=40*1000uA*60s/（24*60*60）s=27.8uA。综上，整表的平均功耗电流=30+27.8=57.8uA常规电池容量为8.5Ah，可用容量按60%计算为5.1Ah。电池的使用寿命为：5.1*1000000uAh/57.8uA/(24*365)=10年，大于标准规范规定的6年设计寿命，符合设计要求。

　　4结论

　　国产单片机和无磁传感器采样技术的物联网（NB-IOT）水表属于物联网领域典型的应用场景，具有功耗低、计量精度高、抗磁干扰能力强、稳定性好等众多特点，且符合目前物联网发展的潮流。嵌入式关键元器件国产化替代，也成为今后的必然趋势，本方案可广泛应用于智能水表领域，具有较高的推广价值。

　　参考文献

　　[1]黎洪生,张英.基于单片机的无磁传感水表的设计[J].传感器与微系统,2006,25(3):54-56.

　　[2]盖·巴赫,伯纳德·多克维勒.感应式角位传感器[P].法国:ZL200680007522.8,2009-9-2.

　　作者：陈钇安杨枝友

文章名称：单片机无磁物联网水表软件设计

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