CN109754583A - 一种基于内嵌智能超声波水表功能窄带nb-iot通讯模组的智能超声波水表 - Google Patents

Abstract

以往由智能超声波水表的MCU微功耗处理器构成的超声波水表控制板上附加NB‑IOT通讯模块构成智能超声波水表会带来成本高、结构复杂、功耗大等问题，通过利用NB‑IOT调制解调器内部的一个ARM核实现了对超声波流量的计量，通讯控制。而本发明是一种将超声波流量计量程序、红外通讯功能模块及程序、可拓展接口及程序、阶梯水价计费模块、自来水报警器接信息处理模块、逆流报警模块、数据通讯协议模块、数据加密模块及程序等与NB‑IOT通讯功能集成到一个芯片一体的超声波水表专用NB模组，本发明具有原理清晰，使用方便，功耗低，体积小，可靠性较高等优点，对于以往NB模块构成的物联网智能超声波水表存在的成本高、功耗大等问题做出了改善。

Description

一种基于内嵌智能超声波水表功能窄带NB-IOT通讯模组的智 能超声波水表

技术领域

本发明涉及一种智能超声波水表，特别是涉及窄带NB-IOT通讯模组的智能超声波水表。

背景技术

2016年3GPP会议制定了NB-IOT的行业标准（R13、R14一部分），并于2017年推出商用NB模组，而根据NB-IOT的3GPP协议，传统的物联网传输采用2G网的GPRS技术，由于其发射功率大，功耗大，且链路运算不够高导致其覆盖面积窄，成本高，功耗大，难以满足智能超声波水表使用电池供电，运行十年的技术要求。

在超声波水表中采用智能超声波水表的窄带NB-IOT通讯专用模组可以解决以上问题，这是一项新型枝术与产品，而目前国内外使用NB-IOT模块与传统的2G网的GPRS通讯模块的应用方法一样，只是将NB-IOT模块来当做通讯部件来使用。为了满足物联网智能超声波水表，要求功耗更小，成本更低的市场需求，需要一种将超声波水表功能内置于窄带NB-IOT通讯模组内，由超声波流量检测模块及安装有配对超声波换能器的超声波水表定制管段与具有超声波水表内嵌功能的智能超声波水表窄带NB-IOT通讯模组，构成的智能超声波水表。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用新型窄带NB-IOT通讯模组的智能超声波水表。智能超声波水表所采用的NB-IOT超声波水表专用模组、是一种将NB-IOT调制解调器内部的多个MCU中的一个MCU定义为超声波水表MCU,将水计量与计费功能模块、红外通讯功能模块、超声波流量检测功能模块、逆流检测功能模块、电压检测功能模块、数据存储功能模块、防窃用功能模块，数据传输功能模块等全部嵌入 Nb模组芯片内、超声波水表的全部功能由Nb-loT芯片内的资源实现；在物联网超声波水表看来就像一个独立的超声波水表MCU一样，实现智能超声波水表全部功能，并且能够完成NB-IOT通讯功能，超声波水表专用NB-IOT通讯模组无需在NB-IOT通讯模组外附其他MCU，本发明解决了现在MCU智能控制板与NB-IOT通讯模组构成的物联网超声波水表，成本高、结构复杂、功耗大，电池成本高等问题，配合超声波检测功能模块对安装有配对换能器的定制管段内流体温度的采集进行温度补偿增加了流量计量的准确性。

一种用于利用窄带NB-IOT通讯模组的智能超声波水表，包括:内嵌超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组，超声波流量检测功能模块、安装有配对超声波换能器的定制超声波管段、锂电池、NB-IOT天线、电压检测电路及外壳等构成。

本发明的特征在于智能超声波水表采用了，内嵌了超声波水表全部功能的窄带Nb-IOT通讯模组; 其中内嵌了智能超声波水表全部功能的窄带Nb-IOT通讯模组包括窄带NB-IOT通讯芯片内的，I/O接口、程序存储的程序及存储器等资源提供了智能超声波水表所需的全部功能和实时时钟；再加上，电压检测电路，超声波流量检测功能模块、天线、电池、安装有配对超声波换能器的定制超声波管段及外壳构成。没有除Nb-IOT通讯模组外的MCU. 并且能够通过后台对智能超声波水表进行实时时间校时。

根据前述本发明的特征，本发明特征还在于智能超声波水表的I/O资源、各种功能程序、程序存储器、数据存储器，以及MCU的软、硬件资源全部来源于NB-IOT通讯模组内。

根据前述特征，本发明的特征还在于智能超声波水表除NB-IOT通讯模组外没有其他MCU。

根据前述特征，本发明的特征还在于内嵌智能超声波水表功能窄带NB-IOT 通讯模组的智能超声波水表内置了一个实时时钟。

根据前述特征，本发明的特征还在于实时时钟可以在每次通讯时自动进行校验，保证实时时钟的准确性。

超声波水表的窄带NB-IOT通讯模组上电后，模块首先将NB调制解调器、超声波水表ARM、数据存储功能模块，超声波流量检测功能模块等相关模块及接口进行赋能初始化，初始化后各模块进入休眠状态，当时间达到预设的流量采集时间时，通过NB-IOT内部的超声波水表ARM控制超声波流量检测模块进行流量的采集计算；其中流速监测主要由NB_IOT模块内部定义的超声波水表ARM来控制超声波流量检测模块驱动管段上下两个超声波换能器，得到两个方向的飞行时间，然后通过NB-IOT模块内部定义的超声波水表ARM来进行瞬时流量及累计量的计算，接下来通过NB-IOT内部分配的超声波水表ARM定时对温度的采集计算进行补偿，对流量值进行修正，实现流体流量的高精度计量；得到流量后，把流量信息定时上传至网络平台，同时数据存储程序可以将用量信息存储在数据存储模块中，该信息可以保存一个月，当智能模组完成数据采集及储存后，NB调试解调器初始化程序开始执行，同时利用NB-IOT网络将采集到的用量信息上传至云平台。

程序还分别对数据上传、红外通讯、按键切换状态、欠压报警、窃用报警、超小流报警、逆流报警等功能设置中断，中断会对事件标志位进行更改，更改之后跳出中断根据标志位进行相关的事件操作。单片机被中断唤醒时首先判断中断类型，如果是外部中断再通过判断具体哪个端口引发中断，来设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能。通过外部中断触发的功能主要有电池电量检测功能、红外通讯功能，按键切换状态功能。当程序发生定时器中断时，会根据一定时间间隔来执行相关功能，比较中断时刻的时间是否与预设功能时间相同，如果相同则设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能。当时间达到预设的上传时间时，NB-IOT调制解调器上电，并执行初始化程序，智能超声波水表ARM核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台。包括超声波NＢ水表所在位置的ＮＢ基站的信号强度也发送到后台。如果程序检测出欠压、逆流或未满管等异常现象时，程序会进行报警并通过NB-IOT调制解调模块上传一条数据提醒使用者。同时在定时器中断中每隔一段时间系统会进行一次系统内部状态诊断，判断各个功能单元是否正常启动，各个拓展口是否被应用。如果有某些功能单元出现异常，超声波水表核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台通知相关人员进行维修操作。如果各功能单元正常启动则模块进入休眠状态并开启定时器，当模块侦听到NB基站发送来的消息或者程序设定的唤醒时间到达时模块会被唤醒，当模组被唤醒后，各个工作单元开始工作，其中NB-IOT解调模块对信号进行解调后通过串口线将数据传送给定义的超声波水表ARM进行状态控制,实时时钟校时，定义的超声波水表ARM提取需要计算的数据传输给NB调制解调器的数据接口，将数据通过数据线发送给NB调制解调器，NB调制解调器将输出的信号经过滤波器双工开关天线等设备发送给上位机进行解析。

本发明的有益效果是：本发明利用了内嵌智能超声波水表全部功能的窄带NB-IOT通讯模组。该模组是一种将超声波水表超声波流量检测功能模块及控制程序、红外通讯模块及对应控制程序、可拓展接口及程序、按键控制模块及程序、阶梯水价计费模块、自来水防窃漏水检测安全智能模块、自来水报警器接信息处理模块、逆流报警模块组成、数据通讯协议模块、数据加密模块及程序与NB-IOT通讯功能集成到一个芯片一体的超声波水表专用NB模组，本发明具有原理清晰，使用方便，功耗低，体积小集成度高，可靠性较高等优点，对于超声波水表领域都具有较强的实用意义。通过利用NB-IOT专用天线增强了信号强度，保证了数据传输的可靠性。通过利用超声波检测功能模块对流体温度的采集获取及补偿增加了流量计量的准确性。

附图说明

图1是本发明的结构框图

图2是本发明的程序流程图。

图1中：内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1、安装有配对超声波换能器的定制管段2、锂电池3、NB-IOT天线4、超声波流量检测功能模块5。

具体实施方式

内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1控制超声波流量检测功能模块5驱动安装有配对超声波换能器的定制管段2上的配对超声波换能器，得到正逆流的飞行时间，从而获得时差值，然后通过内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1的内嵌程序来计算当前管段内的流体流量值，得到的计量数据由数据安全加密解密功能模块进行解密，然后按照数据指令和内容进行解析由各功能模块执行打包通讯协议等各项指令，当需要上传各项数据时由内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1将数据发送给服务器。同时内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1中还嵌入了计费计量程序、控制领域常用算法。电池电量检测功能模块可以通过控制程序实现电量的检测且能够记录下报警信息；红外通讯模块可以通过控制程序来实现超声波水表重要数据的通讯等功能；按键切换状态能够通过对应控制程序实现超声波水表工作状态的切换等功能；逆流检测系统，可以利用程序实现对超声波水表使用过程中的流向进行实时监控，当出现逆流或者未满管问题时可由NB模块发出无线信息，再由云端处理提出警示信息和推送到用户的移动客户端。内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1中还有阶梯水价计费功能模块及程序对自来水使用价格在本地，实现阶梯计量收费，可实现按时间、按量等多组阶梯价格方案，可实现正阶梯及负阶梯；NB-IOT天线4与内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1，内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1将采集计算后的数据打包通过NB-IOT天线4发送给基站。锂电池3与内嵌智能超声波水表功能的窄带NB-IOT通讯模组1相连接给整个智能超声波水表系统供电。

智能超声波水表的窄带NB-IOT通讯模组上电后，模块首先将NB调制解调器、超声波水表ARM、数据存储功能模块，超声波流量检测功能模块等相关模块及接口进行赋能初始化，初始化后各模块进入休眠状态，当时间达到预设的流量采集时间时，通过NB_IOT内部的超声波水表ARM控制超声波流量检测模块进行流量的采集计算；其中流速监测主要由NB_IOT模块内部定义的超声波水表ARM来控制超声波流量检测模块驱动管段上下两个超声波换能器，得到两个方向的飞行时间，然后通过NB_IOT模块内部定义的超声波水表ARM来进行瞬时流量及累计量的计算，接下来通过NB_IOT内部分配的超声波水表ARM定时对温度的采集计算进行补偿，对流量值进行修正，实现流体流量的高精度计量；得到流量后，把流量信息定时上传至网络平台，同时数据存储程序可以将用量信息存储在数据存储模块中，该信息可以保存一个月，当智能模组完成数据采集及储存后，NB调试解调器初始化程序开始执行，同时利用NB-IOT网络将采集到的用量信息上传至云平台。

程序还分别对数据上传、红外通讯、按键切换状态、欠压报警、窃用报警、超小流报警、逆流报警等功能设置中断，中断会对事件标志位进行更改，更改之后跳出中断根据标志位进行相关的事件操作。单片机被中断唤醒时首先判断中断类型，如果是外部中断再通过判断具体哪个端口引发中断，来设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能。通过外部中断触发的功能主要有电池电量检测功能、红外通讯功能，按键切换状态功能。当程序发生定时器中断时，会根据一定时间间隔来执行相关功能，比较中断时刻的时间是否与预设功能时间相同，如果相同则设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能。当时间达到预设的上传时间时，NB-IOT调制解调器上电，并执行初始化程序，智能超声波水表ARM核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台。包括超声波NＢ水表所在位置的ＮＢ基站的信号强度也发送到后台。如果程序检测出欠压、逆流或未满管等异常现象时，程序会进行报警并通过NB-IOT调制解调模块上传一条数据提醒使用者。在每次接收后台信息时，接受的信息中含有日历时间信息，会对智能超声波水表的内部时钟自动进行校验，从而保证智能超声波水表日历时钟的准确性。同时在定时器中断中每隔一段时间系统会进行一次系统内部状态诊断，判断各个功能单元是否正常启动，各个拓展口是否被应用。如果有某些功能单元出现异常，超声波水表核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台通知相关人员进行维修操作。如果各功能单元正常启动则模块进入休眠状态并开启定时器，当模块侦听到NB基站发送来的消息或者程序设定的唤醒时间到达时模块会被唤醒，当模组被唤醒后，各个工作单元开始工作，其中NB-IOT解调模块对信号进行解调后通过串口线将数据传送给定义的超声波水表ARM进行状态控制，定义的超声波水表ARM提取需要计算的数据传输给NB调制解调器的数据接口，将数据通过数据线发送给NB调制解调器，NB调制解调器将输出的信号经过滤波器双工开关天线等设备发送给上位机进行解析。

Claims (5)

1.本发明的特征在于智能超声波水表采用了，内嵌了超声波水表全部功能的窄带NB-IOT通讯模组；其中内嵌了智能超声波水表全部功能的窄带NB-IOT通讯模组包括窄带NB-IOT通讯芯片内的，I/O接口、程序存储的程序及存储器等资源提供了智能超声波水表所需的全部功能和实时时钟；再加上，电压检测电路，超声波流量检测功能模块、天线、电池、安装有配对超声波换能器的定制超声波管段及外壳构成；没有除NB-IOT通讯模组外的MCU，并且能够通过后台对智能超声波水表进行实时时间校时。

2.根据前述本发明的特征，本发明特征还在于智能超声波水表的I/O资源、各种功能程序、程序存储器、数据存储器，以及MCU的软、硬件资源全部来源于NB-IOT通讯模组内。

3.根据前述特征，本发明的特征还在于智能超声波水表除NB-IOT通讯模组外没有其他MCU。

4.根据前述特征，本发明的特征还在于内嵌智能超声波水表功能窄带NB-IOT 通讯模组的智能超声波水表内置了一个实时时钟。

5.根据前述特征，本发明的特征还在于实时时钟可以在每次通讯时自动进行校验，保证实时时钟的准确性。