水表如何變得既精準又智能？用超聲波測量方案可行

當你們家的水管壞了，水滴了一夜家里的機械水表卻沒轉(zhuǎn)動，一般人會認為是水表壞了，其實這不是水表的問題，是所有機械水表都有得測量不準的通病。因此，往往從自來水廠輸出了 1000 噸水，而收費時測量的用水量只有 700 噸，損失高達 30%。為了解決水表的測量精準度問題，一些自來水廠開始進行改造，將機械水表替換為更精準的超聲波傳感器測量水表。據(jù)統(tǒng)計，超過 80%的美國供應(yīng)商已投資智能水表基礎(chǔ)建設(shè)，以提高運營效率并減少誰損失。全球智能水網(wǎng)絡(luò)市場的營收將從 2016 年的 26 億美金增長到 2025 年的 72 億美金，增長潛力巨大。

最近，TI 就推出了智能水表單芯片超聲波感應(yīng)微控制器以及解決方案，以幫助自來水廠實現(xiàn)水資源管理、準確測量和及時計費。德州儀器中國區(qū) MSP 微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇介紹，“MSP430FR6047 MCU 系列使開發(fā)人員能夠利用完整的波形捕獲功能和基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的信號處理，為流量計增加更多智能特性?！?/p>

德州儀器中國區(qū) MSP 微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇

采用超聲波檢測技術(shù)，測量更精準
TI 的解決方案采用的是超聲波檢測技術(shù)，相對于機械測量的優(yōu)勢在于，精度<±1%，無活動部件或磨損，延長設(shè)備使用壽命；成本比較低，所需要的服務(wù)和維護少；抗振動、紅外輻射、EMI，可以輕松添加通信設(shè)備。從測量參數(shù)來看，刁勇分析，“相較于競爭對手的器件，這種技術(shù)可以更準確地進行測量，零漂平均值為 25 皮秒或更低，標準差為 32 皮秒或更低，因此可以檢測到低于 1 升 / 小時的流速，這就相當于以前的滴漏損耗也可以計量?！?/p>

從集成度來看，MSP430FR6047 器件集成了模擬前端—超聲波感應(yīng)解決方案，包括可編程脈沖發(fā)生（PPG），以不同頻率產(chǎn)生脈沖；具有低阻抗輸出驅(qū)動器的集成 PHY，用于控制輸入輸出通道；高性能、高速 12 位 Sigma-Delta ADC，輸出數(shù)據(jù)速率高達 8M MSPS；可編程增益放大器和高性能 PPL。還配備了計量測試接口、用于數(shù)字信號處理的低能量加速器（LEA）、優(yōu)化的低功耗模式。刁勇表示，“這些配置可以將水表系統(tǒng)組件數(shù)量減少 50%，功耗降低 25%，在不為電池充電的情況下，水表能夠運行 10 年或更長時間?！?/p>

支持無線傳輸，讓水表實現(xiàn)智能化
由于一直采用機械水表，每個月需要自來水公司派專門的工作人員挨家挨戶查水表，計算以后再派發(fā)水費單，用戶才能到自來水公司或者銀行繳納水費，耗時耗力，而且準確性差。如果加上無線傳輸功能，水表能夠自動計費，以前的這一系列工作就會全部免除。TI 的新型低功耗水流測量參考設(shè)計可以滿足這些需求，刁勇介紹，“我們的方案分為兩種：第一種由單芯片 SimpleLink 雙頻帶 CC1350 無線 MCU 啟用，該參考設(shè)計還能夠使設(shè)計人員為 AMR 網(wǎng)絡(luò)添加雙頻無線通信；第二種是基于 SimpleLink Sub-1 GHz CC1310 無線 MCU 的超低功耗解決方案。低功耗無線 M-Bus 通信模塊參考設(shè)計采用 TI 的無線 M-Bus 軟件堆棧，并支持 868 MHz 頻段內(nèi)的所有無線 M-Bus 操作模式。中國采用的是前者無線標準，歐洲采用的是后者無線標準?！?/p>

除了硬件部分，TI 的方案還配置了超聲波感應(yīng)軟件和工具，采集到的數(shù)據(jù)傳輸到軟件處理中心，電腦就可以自動完成水費計算，免去以前的人工抄表計算流程。當然，很多人可能會想到最近比較火的 NB-IoT，TI 的參考設(shè)計還未做支持，刁勇表示，“由于 NB-IoT 研發(fā)投入巨大，暫時還未納入考慮?！?/p>

模塊替代，幫助自來水廠節(jié)省資源
有了元器件和開發(fā)模塊，怎樣對機械水表進行更新?lián)Q代？如果把原有的機械水表全部廢棄，再換一套新的電子測量水表，這對自來水廠來說耗資巨大，因此很多地區(qū)選擇了對原有的設(shè)備進行局部改造。將超聲波傳感器安裝在流管內(nèi)部或外部的一對或多對超聲波傳感器就可以用來測量 TOF。一對超聲波換能器可以直接與 MSP430FR6047 MCU 集成的超聲波外設(shè)（USS）連接，USS 使用高速 8MSPS 的 Sigma-Delta ADC 可以靈活的對每個傳感器進行獨立的激勵和響應(yīng)捕獲。USS 再將捕獲的波形采用多種數(shù)字信號處理算法進行下一步處理。

MSP430 超聲波感應(yīng)設(shè)計中心提供一個全面的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)人員可利用它在幾個月內(nèi)讓產(chǎn)品上市。該設(shè)計中心提供快速開發(fā)和靈活定制的工具，包括軟件庫、圖形用戶界面（GUI）、帶度量衡和數(shù)字信號處理（DSP）庫的評估模塊，開發(fā)人員可以快速實現(xiàn)原有設(shè)備的改造。

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