水表如何變得既精準(zhǔn)又智能？用超聲波測(cè)量方案可行

當(dāng)你們家的水管壞了，水滴了一夜家里的機(jī)械水表卻沒(méi)轉(zhuǎn)動(dòng)，一般人會(huì)認(rèn)為是水表壞了，其實(shí)這不是水表的問(wèn)題，是所有機(jī)械水表都有得測(cè)量不準(zhǔn)的通病。因此，往往從自來(lái)水廠輸出了 1000 噸水，而收費(fèi)時(shí)測(cè)量的用水量只有 700 噸，損失高達(dá) 30%。為了解決水表的測(cè)量精準(zhǔn)度問(wèn)題，一些自來(lái)水廠開(kāi)始進(jìn)行改造，將機(jī)械水表替換為更精準(zhǔn)的超聲波傳感器測(cè)量水表。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò) 80%的美國(guó)供應(yīng)商已投資智能水表基礎(chǔ)建設(shè)，以提高運(yùn)營(yíng)效率并減少誰(shuí)損失。全球智能水網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的營(yíng)收將從 2016 年的 26 億美金增長(zhǎng)到 2025 年的 72 億美金，增長(zhǎng)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(lái)水廠實(shí)現(xiàn)水資源管理、準(zhǔn)確測(cè)量和及時(shí)計(jì)費(fèi)。德州儀器中國(guó)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(kāi)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(hào)處理，為流量計(jì)增加更多智能特性?！?/p>

德州儀器中國(guó)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(cè)技術(shù)，測(cè)量更精準(zhǔn)
TI 的解決方案采用的是超聲波檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)于機(jī)械測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在于，精度<±1%，無(wú)活動(dòng)部件或磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；成本比較低，所需要的服務(wù)和維護(hù)少；抗振動(dòng)、紅外輻射、EMI，可以輕松添加通信設(shè)備。從測(cè)量參數(shù)來(lái)看，刁勇分析，“相較于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件，這種技術(shù)可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，零漂平均值為 25 皮秒或更低，標(biāo)準(zhǔn)差為 32 皮秒或更低，因此可以檢測(cè)到低于 1 升 / 小時(shí)的流速，這就相當(dāng)于以前的滴漏損耗也可以計(jì)量?！?/p>

從集成度來(lái)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(dòng)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(dá) 8M MSPS；可編程增益放大器和高性能 PPL。還配備了計(jì)量測(cè)試接口、用于數(shù)字信號(hào)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(yùn)行 10 年或更長(zhǎng)時(shí)間?！?/p>

支持無(wú)線傳輸，讓水表實(shí)現(xiàn)智能化
由于一直采用機(jī)械水表，每個(gè)月需要自來(lái)水公司派專門(mén)的工作人員挨家挨戶查水表，計(jì)算以后再派發(fā)水費(fèi)單，用戶才能到自來(lái)水公司或者銀行繳納水費(fèi)，耗時(shí)耗力，而且準(zhǔn)確性差。如果加上無(wú)線傳輸功能，水表能夠自動(dòng)計(jì)費(fèi)，以前的這一系列工作就會(huì)全部免除。TI 的新型低功耗水流測(cè)量參考設(shè)計(jì)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(wú)線 MCU 啟用，該參考設(shè)計(jì)還能夠使設(shè)計(jì)人員為 AMR 網(wǎng)絡(luò)添加雙頻無(wú)線通信；第二種是基于 SimpleLink Sub-1 GHz CC1310 無(wú)線 MCU 的超低功耗解決方案。低功耗無(wú)線 M-Bus 通信模塊參考設(shè)計(jì)采用 TI 的無(wú)線 M-Bus 軟件堆棧，并支持 868 MHz 頻段內(nèi)的所有無(wú)線 M-Bus 操作模式。中國(guó)采用的是前者無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，歐洲采用的是后者無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)?！?/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(dòng)完成水費(fèi)計(jì)算，免去以前的人工抄表計(jì)算流程。當(dāng)然，很多人可能會(huì)想到最近比較火的 NB-IoT，TI 的參考設(shè)計(jì)還未做支持，刁勇表示，“由于 NB-IoT 研發(fā)投入巨大，暫時(shí)還未納入考慮?！?/p>

模塊替代，幫助自來(lái)水廠節(jié)省資源
有了元器件和開(kāi)發(fā)模塊，怎樣對(duì)機(jī)械水表進(jìn)行更新?lián)Q代？如果把原有的機(jī)械水表全部廢棄，再換一套新的電子測(cè)量水表，這對(duì)自來(lái)水廠來(lái)說(shuō)耗資巨大，因此很多地區(qū)選擇了對(duì)原有的設(shè)備進(jìn)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(duì)或多對(duì)超聲波傳感器就可以用來(lái)測(cè)量 TOF。一對(duì)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(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行獨(dú)立的激勵(lì)和響應(yīng)捕獲。USS 再將捕獲的波形采用多種數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行下一步處理。

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

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