超声波水表校正转发系统的设计与实现

严 曙，刘世伟

（1.中国科学院 合肥物质科学研究院，合肥 230031；2.安徽宝龙电器有限公司，宿州 234111）

近年来，物联网仪表的发展速度非常快，跟随物联网发展趋势，已经开始获得越来越多的市场渗透率和接受度。其中，超声波技术是智能仪表的一项重要技术[1-2]。国内超声波技术在表计行业的应用发展最开始受供热改革政策驱动，超声波热量表得以快速发展[3]。而当前我国的水表市场的水表以机械水表为主，其内部的机械计量由于磨损等因素使得水表的检测准确度和重复性指标难以长期保持，检测可靠性差，使用寿命短[4-5]。相比之下，超声波水表凭借非接触式检测、精度高、宽量程等优势，正逐渐进入城镇供水等领域[6-7]。

超声波水表是计量仪器仪表，为强制检定的计量器具，其计量精度直接影响着供水单位的计量结果的准确性和消费者利益[8-9]。然后，由于每只水表的PCB 板测量的系统误差不同，需要进一步完成误差的校正。在超声波水表批量生产中，需要完成检测台上的多台超声波水表与上位机水表校正软件系统进行数据交换转发。

依据上述需求，本文设计了一套超声波水表校正数据转发系统，该套装置的使用有助于提高超声波水声的批量生产的校正效率，关系到水表是否能够成功量产。

1 系统组成和工作原理

一套完整的超声波水表校正数据转发和校正系统由PC 上的上位机校正软件系统、USB 转433信号收发器、物联网云平台、被测水表（位于水表检测台）组成，如图1 所示。水表检测修正设备主要实现图1 中虚线框内的功能，主要任务是建立水表和PC 软件系统连接，负责数据协议转换及传输，在整个系统中起着承上启下的作用。

图1 校正数据转发示意图Fig.1 Correction data forwarding diagram

2 系统硬件设计

2.1 系统板（PCB）总体设计

超声波水表校正数据转发板负责表体校正数据的转发处理，该PCB 板上集成了433 通讯模块接口、电池供电电路接口、调试接口、唤醒功能接口和红外通讯接口，并与高性能低功耗的MCU（MSP430F149）芯片相连，如图2 所示。PCB 板设计符合EMC 检测标准，采用喷涂三防漆处理，唤醒功能接口采用磁感应干簧管，感受到外部磁铁靠近，干簧管会导通，触发外部中断唤醒功能，唤醒MCU 进入正常工作状态，433 通讯模块采用泽耀科技的AS12-TTL 模块，直接与MCU 串口连接。

图2 板载硬件逻辑结构图Fig.2 Logical structure of onboard hardware

红外通讯接口电路是采集表体测量数据和接收上位机校正数据的主要通道。这部分电路运用红外发光二极管，通过红外光信号的有无，转化数据信号的接收和发放，其红外通讯电路如图3 所示。

图3 红外通讯接口电路Fig.3 Infrared communication interface circuit

2.1.2 433 通讯接口电路

433 通讯接口电路使用泽耀科技的AS12-TTL模块直接与MCU 相连，将红外通讯电路接口接收到的数据上传到上位机接收端，或将上位机发送的数据通过红外通讯接口下载到表体中，其红外通讯电路如图4 所示。

图4 433 通讯接口电路Fig.4 433 communication interface circuit

2.1.3 电源模块接口电路

提供电源输入通道，为保证系统的稳定性，采用德玲达公司生产的电池，其供电电压为3.7 V，电流3200 mAh。低功耗的设计可以使本装置使用时间达到3 年之久，其具体工作接口电路如图5 所示。

图5 电源模块接口电路Fig.5 Interface circuit of power module

2.1.4 唤醒接口电路

在实际的校正工作中，由于某些原因，导致校正工作中止。本系统约定，在10 min 内如果没有数据采集和转发，系统将处于休眠状态。如果继续工作，则使用磁铁靠近本装置，在磁力的作用下，磁感应干簧管会导通，触发外部中断唤醒功能，唤醒MCU进入正常工作状态。

2.1.5 调试接口电路

若以NaOH形式衡量，以1800m3/h尾气计算，采用双脱吸收工艺改造后，每年将减少NaOH（固体碱，反应用掉的）用量约9.5t，但在实际运行中，由于要外排一部分，保持一定的pH和碱浓度，其用量远远不止，双塔吸收工艺将减少废碱渣和废水的排放，减少对污水处理的影响，有利于环保。

方便用户程序烧写，用以程序编写过程中的仿真模拟，其工作接口如图6 所示。

图6 调试接口电路Fig.6 Debugging interface circuit

2.1.6 NB_IoT 接口电路

本接口电路提供了一种校正数据上传机制，用户可以将这些校正数据保存到数据服务平台，根据这些数据可以分析校正数据是否存在异常。此外，还可以通过数据服务平台判断该装置近期是否在工作和工作多久等，其具体接口如图7 所示。

图7 NB_IoT 接口电路Fig.7 NB_IoT interface circuit

2.2 数据服务中心

数据服务平台是位于互联网上的一台主机，用于接收NB 模块上传的数据信息。在智能水务实践中通常选择中国电信IoT 平台和中国移动one-NET平台作为水务终端数据的中继平台，用户可以另写程序从该中继平台获取用户数据。

3 系统软件设计

本系统的软件设计采用的是嵌入式应用架构思想，首先将一个应用进行功能模块划分，并对整体结构分层（将API 分为驱动层和应用层），然后设计能独立的各个模块（如协议模块、通讯模块等），在模块之上开放公共接口，便于应用的移植和功能模块的可复用性，软件工作流程如图8 所示。系统软件整体上由主程序和中断处理程序两部分组成。

图8 软件工作流程Fig.8 Software flow chart

3.1 中断接口函数介绍

以下是各中断接口函数，定时器负责计时处理，串口中断负责数据的接收及发送，嵌入式程序主循环负责数据协议转换，起到打通PC 和超声波水表互通的链路功能。

3.2 主程序介绍

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；

Main_Timer_Init（）；//定时器配置

Main_Flash_Init（）；//运行环境初始化

MemCopy（（u8*）0x1120，&buff_200[0]，0x21）；

Main_IO_Init（）；//IO 口配置

Main_USART0_Init（）；//串口0 配置

Main_USART1_Init（9600）；//U1 9600

_EINT（）；//使能中断

4 系统运行与验证

在系统运行之前，首先把设计好的PCB 底图交给PCB 制造厂商如嘉立创制版，然后再将制好的PCB 裸板委托第三方加工或自已加工制成PCBA版，在外接各种辅助性的插线或对第三方通讯模块如AS12-TTL 模块进行频道设置，此功能设置对于拥有多台检测台的车间特别重要，如设置不当，可引起检测校正数据目标错乱，失去校正数据转发功能。

前续基础工作完成后，用户可使用MSP430 单片机匹配的仿真器MSP-FET430UIF 将IDEA 编译的用户程序下载到本系统所设计的PCBA 板上，并分别与电脑上位机与检测台的超声波水表相连。同时，将NB 模块（L660）注册到电信物联网平台，激活SIM 芯片，开启NB 数据上传通道，如图9 所示。

图9 NB 模块注册物联网平台示意图Fig.9 Schematic diagram of NB module registering IoT platform

5 结语

本文所设计的超声波水表校正数据转发系统运用433 频率的无线通讯模块和无线红外通讯进行校正数据的转发传输，在IDEA 编译环境中，采用C 语言对PCBA 板进行编程开发。在设计中还使用了集成的芯片数据传输DTU 模块并提供SIM 通讯芯片接口，与宏电的H7210DTU 不同，可以与PCBA上集成芯片集成到一起，整体结构紧凑小巧。经过客户使用和反馈，本系统运行稳定可靠，在长达7天的拷机实验中，表现出较好的品质，该系统可以很好地满足用户的需求。