基于物联网的智能水表系统设计

基于物联网的智能水表系统设计

刘利辉

洛阳愿景科技有限公司，河南省洛阳市， 471003

摘要：智能水表的应用为居民提供便捷化的服务，基于物联网设计的智能水表系统能够自动采集信息、传输数据，通过连接互联网与水表，实时监控用户的用水量，并依据大数据等技术对用户的实际用水情况进行全面分析，有效提升水资源的管理效率，实现水资源的优化配置。基于此，本文对基于物联网的智能水表系统总体设计展开探究。

关键字：物联网；智能水表；设计

前言：水资源的管理发挥着重要意义，传统的水资源管理方式已经无法适应当前的需求。物联网技术是对传统互联网的延伸与扩展，在物联网基础上设计智能水表系统，在市场上有着较大的占有率。物联网智能水表的使用能够在一定程度上缓解用水的压力，提升水资源利用率，通过借助物联网技术完成水资源相关数据的采集、传输，实现水资源信息的智能化管理。物联网智能水表的开发既与国家政策吻合，还符合市场的需求。

1 基于物联网的智能水表系统总体设计

基于物联网的智能水表系统主要由六个模块组成，即智能水表、NB-IoT网络、NB-IoT模块、水表监控系统、物联网云平台、数据库。其中，智能水表这一模块主要负责数据的采集，将采集到的水流数据传输到MCU，并加以处理，接着，NB-IoT模块通过NB-IoT网络将采集到的数据传至云平台。物联网云平台作为重要部分，对传输的数据进行保存，并借助推送服务完成数据交互，为供水表监控系统应用。智能水表监控系统按照前后端的形式来开发，智能水表监控系统主要接受云平台的各种推送信息，并加以处理，系统还能够显示在线设备相关信息，控制阀门开关，对用户而言，能够查看终端数据，并将其导出。管理人员能够通过系统对用户、设备信息等进行有效管理，并查看供水情况，一旦出现异常情况，则能够在监控平台进行排查。如图1所示，为智能水表系统图，智能水表系统能够使用户全面了解水资源使用情况，并以此进行合理调控。

图1 智能水表系统图

2 基于物联网的智能水表系统的硬件设计

2.1 流量采集

基于物联网的智能水表主要功能为流量采集，对用户的实际用水量进行采集，该模块使用超声波换能器获得信号，并利用6902芯片测量管中的声波正逆程时间计算出相应的时差，并将其转为流量信号，采取硬件补偿、软件修正等手段，确保每一段流量内测量精度符合标准要求。一般情况下，流量采样有用户、检定、快速采样三种模式，在后两种模式下，设定换能器的采样频率为1/125ms；在第一种模式下，设定换能器的采样频率为1/500ms，在此频率下能够确保精准测量。在具体校准过程中，保证实际与规定流量之间的误差低于20%，在检定模式中，一旦测量停止时间超出10s，再次开启时则从零计算，测试流量与累积流量不冲突^[1]。

2.2 温度采样

物联网智能水表能够显示用户实际用水情况、水温等，使用Pt1000温度传感器、恒流源式测温电路，设置声速反推温度，将其作为候补。温度采样与流量采集相同，划分为用户、检定、快速采样三种模式，在第一种模式下，温度传感器的采样频率为1/30s，降低功耗；在后两种模式下，采样频率为1/6s，确保精准测量^[2]。一旦温度传感器出现故障问题，报警温度会报错，并将声速反推温度充当表计温度，保证采样的顺利进行。

2.3 数据采集

智能水表系统利用ZigBee无线网与内置GSM卡、无线通信模块共同作业，ZigBee无线网络使用的芯片为CC2530，利用网状拓补结构，将采集到的信息传至远程控制中心。物联网智能水表使用MSP430F448单片机处理器，功耗非常低，一方面，芯片CPU以及其他模块能够在不同点工作，在低频模式下，功耗大大降低；另一方面，智能水表系统有较多的模块，能够出现各种情况的中断现象，通过应用MSP430芯片，能够满足中断驱动系统多方面的需求^[3]。在系统感知层内，当完成数据采集之后，利用RS232接口进行传输，传送至移动GSM卡，并通过IP协议，实现数据收发，接着，以数据包的形式将其传输至远程控制中心。

3 基于物联网的智能水表系统的软件设计

3.1 系统软件框架

物联网智能水表系统软件设计使用C语言，以ARM嵌入式平台为基础，完成软件开发，其功能包括数据分析、处理等，不仅性能十分稳定，而且计数结果非常准确。在系统软件上电复位之后，开始系统初始化，并进行低压检测，以此判断与用户的实际用水条件是否吻合，如果条件吻合，则进行扣费处理，并中断阀门^[4]。当系统正常运作之后，中断打开，并依据用户的余额判断是否开阀门，一旦用户余额为零，将会关闭阀门。如果没有中断，系统转为低功耗模式。

3.2 中心节点软件设计

中心节点是物联网智能水表系统软件中的关键部分，对于传感器采集到的信息，完成接送、处理。首先，初始化CC2530，用于查询是否建立网络，如果建立好网络，便接收数据信息，并将数据信息打包，完成打包后将其传送至GSM模块，并通过GPRS模块传送至远程控制器。

结语：在物联网时代，将物联网与水务相连，构建物联网智能水表系统。从硬件、软件两个层面进行提升，使用传感器节点完成数据的采集，并借助互联网传送数据，实现实时显示。物联网智能水表的应用越来越广泛，通过对用户实际用水情况进行全面监控，实现用水信息的透明化，以便更好地开展水资源管理工作。

参考文献：

[1]孙俊杰. 基于物联网技术的水表系统设计[D].成都理工大学,2020.

[2]毛涛,张生.基于物联网的智能水表系统设计与实现[J].信息技术,2017(07):175-178.

[3]孙丕波,丁纪祥.物联网下智能水表系统的设计与实现[J].宁德师范学院学报(自然科学版),2019(04):383-389.

[4]庞应龙,吴文彬,曹广忠.基于自主计量芯片与NB-IoT的物联网智能水表系统[J].物联网技术,2022(02):124-130.