CN111385773A - 一种基于nb-iot的智能水表控制电路 - Google Patents

一种基于nb-iot的智能水表控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于NB‑IOT的智能水表控制电路物联网的水表***，其中包括MCU***，所述MCU***分别连接存储器电路、NFC电路和NB模块电路，所述MCU***还分别与脉冲计量电路和电源电路通过连接，所述MCU***通过R7F0C019L2DFB单片机实现。本发明在设计过程中，利用单片机的低功耗模式与NB模组的PSM、DXR等技术的特点，设计出的水表中低端具有超低功耗，静态计量时终端功耗低于10uA，可满足无线水表终端的在电池供电情况下使用时间长达7年的设计要求，同时在终端部署时无需抄控器、集中器，极大降低部署成本，方便管理。

Description

一种基于NB-IOT的智能水表控制电路
技术领域
本发明属于水表技术领域，具体涉及一种基于NB-IOT的智能水表控制电路。
背景技术
供水企业的发展一直以来受传统水表装置限制，使运营管理成效低下，由于供水企业依靠人工抄表，有着较长的抄表周期，很难及时发现供水问题，对于居民用水数据的统计管理也有较大难度，还经常因水表发生民事纠纷。而且水表多为人工管理，抽检维护时间跨度大，违法用水情况较难控制，使得供水产销差率居高不下。供水管网损耗问题、电表计量误差以及盗用、水表故障等系列问题均带来了供水资源的极大损耗，使供水企业利益受损。虽然对于供水损耗的防控早已提上议程，然而面对海量用户，人力不足导致管理滞后问题，人为维护成本较高，使得产销差问题得不到解决。水表关系到客户及供水企业的切身利益，通常依据水表读数予以结算，如若发生水表故障或抄表误差等问题，将带来较***烦，影响客户服务满意度。
发明内容
为了充分解决上述问题，本发明提供一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，能够在降低现有水表的成本的同时，提高水表的使用寿命。
本发明所采用的技术方案是：一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，包括MCU***，MCU***分别连接存储器电路、NFC电路和NB模块电路，MCU***还分别与脉冲计量电路和电源电路通过连接。
优选的，MCU***通过R7F0C019L2DFB单片机实现。
优选的，本发明所采用的技术方案的特点还在于，
存储器电路通过CAT24C256WI-GT3芯片实现，NFC电路通过意法半导体(ST)的ST25DV芯片实现，存储器电路和NFC电路均与MCU***采用I2C通信。
NB模块电路与MCU***通过UART串口的通信方式、使用CoAP协议作为应用层协议与物联网平台进行通信。
优选的，NB模块电路通过BC95-B5电信版物联网通信模块实现。
NB模块电路包括模组供电电路、卡电路和天线电路，模组供电电路的电压与MCU***的电压相同，卡电路采用QFN-8封装的贴卡片，天线电路的射频电路接口与天线之间事先经过50欧姆的阻抗匹配。
优选的，脉冲计量电路与MCU***通过I2C连接，脉冲计量电路采用干簧管脉冲采样的方式进行，脉冲当量为0.1，两个干簧管轮流周期性的断开闭合，周期为0.5s。
电源电路采用3.6v锂电池供电与辅助放电电容进行组合供电，供电电压：3.1V～3.65V。
本发明的有益效果是：本***在设计过程中，利用单片机的低功耗模式与NB模组的PSM、DXR等技术的特点，设计出的水表中低端具有超低功耗，静态计量时终端功耗低于10uA，可满足无线水表终端的在电池供电情况下使用长达7年的设计要求，同时在终端部署时无需抄控器、集中器，极大降低部署成本，方便管理。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种基于NB-IOT的智能水表控制电路的结构示意图；
图2为本发明MCU***的模块框图；
图3为本发明MCU***的引脚分布图；
图4为本发明NFC电路的电路原理图；
图5为本发明储存器电路的电路原理图；
图6为本发明NB模块电路的电路原理图；
图7为本发明脉冲计量电路的电路原理图；
图8为本发明电源电路的电路原理图。
图中：1.MCU***，2.存储器电路，3.NFC电路，4.NB模块电路，5.脉冲计量电路，6.电源电路，7.卡电路，8.天线电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，的结构示意图，包括MCU***1，MCU***1分别连接存储器电路2、NFC电路3和NB模块电路4，MCU***1还分别与脉冲计量电路5和电源电路6连接。
MCU***1采用瑞萨的R7F0C019L2DFB单片机，并程序下载调试接口。R7F0C019L2DFB是16位单片机，有64KB代码闪存、4KB RAM空间组成片内存储。R7F0C019L2DFB具有三种低功耗运行模式：HALT模式、STOP模式和SNOOZE模式，供电范围在1.6～5.5V之间，具有低成本、超低功耗的特点。
R7F0C019L2DFB芯片采用LQFP64封装。其模块框图和引脚分布图分别如图2及图3所示。
存储器电路2和NFC电路3均与MCU***1采用I2C通信。存储器电路2采用CAT24C256WI-GT3芯片，NFC电路3采用意法半导体(ST)的ST25DV芯片，这两款芯片的静态功耗低，且可以与MCU***1采用I2C通信，方便使用。本发明选用256Kb规格的存储器电路2。NFC电路3的电路图如图4所示，储存器电路2的电路图如图5所示。
NFC技术工作在13.56MHz的频率，10cm的短距离通信，106Kbit/秒、212Kbit/秒和424Kbit/秒三种传输速度。适合短距离通信的应用场合。通信原理是基于感应近场，在近场区域内中，感应场强弱与电磁辐射源以及天线的距离相关，近则强远则弱。具有两种读取模式：主动和被动。其接口适用范围：数据上报、数据读取、参数设置、程序升级。
NB模块电路4与MCU***1通过UART串口的通信方式、使用CoAP协议作为应用层协议与物联网平台进行通信。NB模块电路4为BC95-B5电信版物联网通信模块。BC95模块共有94个引脚，其中54个为LCC引脚，其余40个为LGA引脚。模块组接口包括：电源供电、串口、USIM接口、RF接口。
NB模块电路4包括模组供电电路、SIM卡电路(简称卡电路)6和天线电路7，NB模组电源供电电压与MCU***1的电压相同，可通过IO口P01引脚控制MOS管的开断，从而控制模组的上下电，平时模组处于断电状态，当有数据上报时给模组供电，用完即断电，可以极大的降低终端***的功耗。同时，模组与MCU通过串口通信，将BC95的TXD口串接一个1k欧的跨接电阻后与C019单片机的串口P17相连，RXD口串接一个1k欧的电阻与P00连接。RF_ANT引脚为BC95的射频天线接口，同时BC95-B5还有为NB-IoT专用S IM卡预留的接口。
硬件设计中，SIM卡为了节省单板硬件空间，使用QFN-8封装的贴片卡，同时还要特别注意射频电路接口与天线之间要做50欧姆的阻抗匹配。BC95-B5电路原理图如图6所示。
NB模块电路3的三种工作状态如下：
1.Connected(连接态)
模块注册入网后处于该状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式，时间可配置。
2.Idle(空闲态)
可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置。空闲状态可配置执行DRX或eDRX模式。DRX：discontinuousreception，不连续接收模式。对下行业务时延要求高，如路灯。eDRX：Extended idle modeDRX，扩展不连续接收模式。对下行业务时延有较高要求，可根据设备是否处于休眠状态缓存消息或者立即下发消息，如智能穿戴设备。
3.PSM(节能模式)
此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。持续时间由核心网配置(T3412)，有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态。
NB-IoT三种工作状态一般情况的转换过程可以总结如下：
1.终端发送数据完毕处于Connected态，启动“不活动计时器”，默认20秒，可配置范围为1s～3600s；
2.“不活动计时器”超时，终端进入Idle态，启动活动定时器(Active-Timer【T3324】)，超时时间配置范围为2秒～186分钟；
3.Active-Timer超时，终端进入PSM状态，在此状态中，终端不进行寻呼，不接受下行数据，处于休眠状态，当终端处于PSM态时，也可以通过主动发送上行数据令终端回到激活态；
4.TAU Timer从终端进入空闲态时便开始计时，TAU周期结束时进入Connected态，TAU周期【T3412】配置范围为54分钟～310小时。
如图7所示，为脉冲计量电路5的电路原理图，脉冲计量电路5与MCU***1通过I2C连接，脉冲计量电路5采用干簧管脉冲采样的方式进行，脉冲当量为0.1，脉冲计量电路5的发讯圈结构中包含两个位置对称的干簧管，本课题设计计量采用双干簧管脉冲计量的方式。脉冲当量0.1m3。干簧管两种状态：闭合状态、断开状态。0.5s中断采样一次IO电平。
两干簧管轮流周期性的断开闭合。“AB断开状态→A闭合状态B断开状态→AB断开状态→B闭合状态A断开状态→AB断开状态”为一个周期性的断开闭合为一个有效计量脉冲(闭合时出脉冲)，对应水量0.1m3。
如图8所示，为电源电路6的电路原理图，电源电路6采用3.6v锂电池供电与辅助放电电容组合供电，供电电压：3.1V～3.65V。
电池电压检测为AD检测，电池电压经过bR2、bR4分压，每1分钟检测1次。程序连续2次检测到≤3.0v时，判定为低压，置低压标志；≤3.2v时，判定为欠压，置静态欠压标志。高于3.4V，自动清除欠压或低压标志。电压检测范围：测量范围是0-3.6V。电压检测精度≤±0.1V。
电池掉电检测为IO口电平检测，每0.5s检测一次，高为上电(30次确认)，低为掉电(2次确认)。电压检测与掉电检测共用一个IO口，平常为掉电检测，电压检测时切换为AD检测。
本发明解决了NB基站通信过程不稳定，存在水表终端数据上报完成后无法立即进入休眠模式，导致NB模组继续消耗，使得终端功耗提高。处理方式就是根据业务的数据流上报时间，建立模型，当数据发送完立即断电，从根本上解决了因为基站的不稳定导致过多的电能消耗。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，其特征在于，包括MCU***(1)，所述MCU***(1)分别连接存储器电路(2)、NFC电路(3)和NB模块电路(4)，所述MCU***(1)还分别与脉冲计量电路(5)和电源电路(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，其特征在于，所述MCU***(1)通过R7F0C019L2DFB单片机实现。
3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，其特征在于，所述存储器电路(2)通过CAT24C256WI-GT3芯片实现，所述NFC电路(3)通过意法半导体(ST)的ST25DV芯片实现，所述存储器电路(2)和NFC电路(3)均与MCU***(1)采用I2C通信方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，其特征在于，所述NB模块电路(4)与MCU***(1)通过UART串口的通信方式并使用CoAP协议作为应用层协议，与物联网平台进行通信。
5.根据权利要求4所述的一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，其特征在于，所述NB模块电路(4)为BC95-B5电信版物联网通信模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，其特征在于，所述NB模块电路(4)包括模组供电电路、卡电路(7)和天线电路(8)，所述卡电路(7)通过QFN-8封装的贴卡片实现，所述天线电路(8)的射频电路接口与天线之间经过50欧姆的阻抗匹配。
7.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，其特征在于，所述脉冲计量电路(5)与MCU***(1)通过I2C通信方式连接，脉冲计量电路(5)采用干簧管脉冲采样的方式进行，脉冲当量为0.1，所述两个干簧管轮流周期性的断开闭合，周期为0.5s。
8.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能水表控制电路，其特征在于，所述电源电路(6)采用3.6v锂电池供电与辅助放电电容组合供电，供电电压为3.1V～3.65V。
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