【武汉芯源】基于CW32L031的NB-IoT水表设计开发

基于CW32L031的NB-IoT水表设计开发

【前言】

目前，所有的供水行业主要是通过水表来进行计数收费的，因此，水表的安全、可靠性、准确计量和科学规范管理十分重要。

相比于传统水表，水表采用窄带物联网（NB-IoT）技术，可实现数据远传，无需人工抄表，可提高数据准确性；NB-IOT 物联网水表采集频率高，可实时反映用户家中用水情况；此外上传数据安全牢靠，从而为供水管理部门科学决策提供数据支持。随着NB-loT 芯片模组价格下降，应用不断成熟，以及智慧水务建设的持续推进，NB-IoT 水表的新增和更新需求将会越来越多。 水表的数据传输方式有：GPRS、CDMA、NB-IoT。NB-IoT 技术能实现比 GSM 强 20dB 以上的覆盖增益，覆盖面积扩大 100 倍，地下车库、地下管道均能覆盖到。 选择 NB-IoT 传输的另一原因是低功耗，NB-IoT 终端如每天发送一次 200Byte 报文，AA 电池待机时间有 10 年之久。 因智能水表上报数据时，只需 1 或 3 天上报一次数据即可， 所以 NB-loT 技术非常适合应用在智能水表中。

在选型过程中，无意间看到CW32生态社区里有CW32L031系列的推广活动，然后就去查阅了CW32L031的数据手册及宣传手册，看到其深度休眠模式下最低可达到0.45uA，且只需4us的超低功耗唤醒时间。其ADC精度也还蛮高，其有效位数可达到11.3，IO口和FLASH资源也都够用，所以抱着试一试的态度开始开发。

【设计流程】

第一步：总体方案设计

此方案中，将 NB-IoT 模组集成至电路板中，由运营商提供网络服务，解决水司无线网络维护难问题，实现漏损监测控制，降低管网漏损率。 无磁 NB-IoT 水表通过基站与云平台建立连接，将数据发送至平台，而终端可通过访问平台获取相关数据，这些数据可在不同的应用上进行呈现。 本设计系统总框图如图1 所示：

图1 设计系统总框图

第二步：硬件设计及PCB制板

硬件部分主要包括：主芯片、电源、NB模块、存储电路、无线通信模块、红外通讯模块、调试接口、SIM 卡等部分组成。使得水表具有无磁计量、数据存储、无线通信等功能。 主芯片负责采集无磁模块输出的波形，选用CW32L031芯片，L031是武汉芯源半导体有限公司推出的一款低功耗产品，ARM® Cortex®-M0+内核，工作电压可低至1.65V， 且含有三路低功耗 UART，支持小数波特率，支持 LIN 通信接口，一路 SPI 接口 12Mbit/s， 一路 I2C 接口 1Mbit/s，内置 IR 调制器，最低功耗可达到0.4μA。数据通信采用NB-IoT技术，用的是MN316模块。无磁计量模块采用的是Hall元件和叶轮搭配实现水流的计量。系统硬件原理框图如图2所示：

图2 系统硬件原理框图

根据硬件原理框图，设计相关原理图，实物图及原理图如题3、4所示：

图3 NB-IOT水表实物图

图4 NB-IOT水表原理图

第三步：软件设计

采用模块化的设计流程，包括：主程序、初始化模块、无磁计量模块、无线通讯模块、数据存储模块、红外接口模块以及远传协议解析模块。主程序负责水表系统在上电以后首先初始化各个模块相应端口的电平参数。 数据存储在 EEPROM 中，可存储水表的各详细数据，包括实时数据、默认参数、上线类型、故障（复位）记录等。具体程序结构如图5所示：

图5 程序组成图

第四步：下载调试

本水表板是需要结合水表基表进行测试的，测试时需要用红外和平台同时测试。物联网水表电子模块焊接完成后，将整表放置在气动走字工装上，并记录基表部分的初始机械读数。运行一段时间后，通过触发水表上的按键开关，将物联网水表的数据上传到生产测试服务器上，并通过显示装置将表内所有的数据显示出来。显示的数据包括水表的累计用量、电池电压、信号强度、物联网卡号、表状态字等，生产检测人员通过上传的数据累计用量，比对机械读数，机电对比判断水表计量是否准确；通过信号强度大致判断表内的天线是否焊接好；通过表状态字判断表内是否有异常报警。如果水表的计量及通讯功能正常，再通过工装或者生产测试系统来控制水表的开关阀，在所有的功能检测完成后，系统将物联网水表的生产测试模块自动切换成出厂运行模式，并测试出厂运行模式的通讯功能，保证参数设置正确。也可以通过专用的测试工装来测试物联网水表的相关功能和设置水表的参数。

功能测试完成后，我们也可以通过上传的数据分析表端的信号强度、电池的状态及表端的故障标志，再通过电流测试设备测试整机的平均功耗，保证所有出厂的物联网水表功能及性能都是合格的，最后将测试的数据及表档案登记、存储，以便所有的出厂的表都有据可查。

【结语】

本文的设计是基于 NB-IoT 通讯的无磁物联网水表，其特点是低功耗，计量精度高、无磁干扰，可做到数据可靠传输，也可做到居民用户的深度覆盖，在通讯上比GPRS和CDMA的覆盖面积和信号强度都好，在一定程度上改善了传统管理模式的种种弊端，符合我国的基本国情，有很强的实用价值。