CN109903467A - 一种用于智能水表的窄带nb-iot通讯模组及其使用方法 - Google Patents

Abstract

以往智能水表的MCU微功耗处理器构成的智能水表控制板上附加上NB‑IOT通讯模块构成智能水表，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核实现了对智能水表的计量，通讯控制。而发明是一种将水表机械计数器、直读程序、脉冲计数模块及程序、可拓展接口及程序、阀门控制模块、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水表专用NB模组，本发明具有原理清晰，具有使用方便，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水表存在的成本高、功耗大等问题做出了改善。

Description

一种用于智能水表的窄带NB-IOT通讯模组及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种水表模组，特别是涉及一种用于智能水表的窄带NB-IOT通讯模组及其使用方法。

背景技术

2016年3GPP会议制定了NB-IOT的行业标准（R13一部分），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，难以满足智能水表使用电池供电，运行十年的技术要求。

采用物联网NB-IOT通讯技术可以解决以上问题，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，因而只是在智能水表的MCU微功耗处理器构成的智能水表控制板上附加上NB-IOT通讯模块构成智能水表，采用这种方法的智能水表除需要NB-IOT模块外，还需要一个MCU智能水表控制板来实现计量计费功能、防窃用功能、逆流检测功能、电池电压检测功能、数据存储功能及数据加密功能等，由此带来成本高、结构复杂、功耗大等问题。为了满足物联网智能水表，功耗小，成本低的市场需求，需要提供一种将智能水表功能内置于NB-IOT通讯模组集成的实现智能水表和NB通讯一体化的新型NB-IOT智能水表专用模组。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用NB-IOT调制解调器内部的多个ARM构成的MCU中的一个ARM核定义为智能水表ARM,将水计量与计费功能模块、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，在ARM中实现与NB-IOT调制解调芯片集成在一起，在物联网智能水表看来就像一个独立的智能水表MCU一样，实现智能水表全部功能，并且能够完成NB-IOT通讯功能，智能水表专用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智能水表，成本高、结构复杂、功耗大，电池成本高等问题。

一种用于智能水表的窄带NB-IOT通讯模组及其使用方法，包括:信号功率放大电路、信号放大电路、滤波器、双工开关、NB-IOT调制解调器、SIM卡接口模块、智能水表ARM、数据存储功能模块、电池电量检测功能模块、脉冲计数功能模块、光电直读采集模块、阀门控制模块、可拓展接口功能模块、逆流检测功能模块、阶梯水价计费功能模块、数据安全加密解密功能模块等构成。

本发明的特征在于智能水表MCU是由NB-IOT调制解调器的内部的一个ARM核及程序存储器、数据存储器、I/O接口等资源构成；

本发明的特征在于，此智能水表的全部功能由NB调制解调器内部的ARM上的资源来实现；

根据前述特征，本发明的特征还在于，智能水表数据传输功能由NB-IOT调制解调器的数据接口、控制接口与NB调制解调器内定义的智能水表ARM的一个数据接口、一个控制接口，以及通讯协议和程序构成，实现通讯控制与数据传输功能；电压电量检测功能由定义的智能水表ARM核中的一个数据接口与电压检测器及电压过低处理程序来实现电压检测功能及电池电压掉电处理功能；

本发明的特征在于ＮＢ智能水表的直读功能以及智能水表用水量计量功能由智能水表的机械计数直读传感器与ＮＢ水表专用模组定义的智能水表ＡＲＭ中的一个串行接口及直读程序实现；

本发明的特征在于，智能水表利用磁传感器以及脉冲记数程序实现脉冲水表计数功能，智能水表利用ARM的一个接口及脉冲计量程序实现水表流速检测功能；

本发明的特征在于，当智能水表采用脉冲计数时，使用脉冲计数模块的接口及程序来实现智能水表的用水量采集、流速检测功能，利用脉冲计数模块采集的脉冲信号实现逆流检测功能；

本发明的特征在于，此智能水表的脉冲计量、直读计量两种计量方式可根据需要进行初始设置，或采用无线方式进行设置，从而避免了产生两种不同的ＮＢ智能水表专用模组；

本发明的特征在于，定义的智能水表ARM核存储器存储的超小流检测处理程序根据自来水脉冲计数接口的状态进行判断实现防窃及漏水检测功能；

本发明的特征在于，定义的智能水表ＡＲＭ的两个接口与阀门驱动器及阀门驱动程序实现智能水表的阀门控制功能；

本发明的特征还在于，智能水表ARM核中的程序存储器的数据处理传输程序，将累计用水数据，用水流量数据，计量计费数据，阶梯用量阶梯价格数据，预付金额，电池容量数据，NB信号强度数据，水流方向等数据通过数据安全加密解密功能模块对数据进行加密，打包，通过 NB调制解调器，按照NB协议进行无线信号调制由功放天线，将数据线无线网络传输到后台，实现表具数据传输功能；

本发明的特征还在于数据安全加密解密功能模块的加密机制有别于NB调制解调器的数据空口加密安全机制,而是按水表通讯协议进行加密，该项功能由数据加密算法实现，存储在定义的智能水表ARM中；

本发明的特征还在于定义的智能水表ARM核中的存储器存储的数据接收处理程序将NB调制解调器从天线接收的无线网络发来的无线信号进行解调后的数据进行解密，解析，实现双向数据通讯及对定义的智能水表ARM进行控制，完成智能水表的各项功能；

NB-IOT调制解调器的智能水表专用模组上电后，模块首先将NB调制解调器、智能水表ARM、数据存储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，当使用光电直读水表时，设置定时器中断时间，定时器中断后，表头直读接口程序对机械直读器中的数据进行取，定时器中断时间可通过无线设置，也可通过程序初始化进行设置；当使用脉冲计数水表时，程序会启动外部中断检测方式，当接收到脉冲信号时，程序会发生中断，通过中断的状态计算流量。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、欠压报警、窃用报警、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、水表机械计数器功能，脉冲计数功能，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，包括智能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，智能水表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智能水表ARM进行阀门控制，定义的智能水表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：通过利用NB-IOT调制解调器内部的一个ARM核实现了对智能水表的计量，通讯控制，设计。且本发明是一种将水表机械计数器、直读程序、脉冲计数模块及程序、可拓展接口及程序、阀门控制模块、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水表专用NB模组，本发明具有原理清晰，具有使用方便，功耗低，体积小，可靠性较高等优点，对于智能水表领域都具有较强的实用意义。对于以往NB模块构成的物联网智能水表存在的成本高、功耗大等问题做出了改善。

附图说明

图1普通NB水表结构框图

图2是本发明的结构框图

图3是本发明的内部结构框图

图4是本发明的程序流程图

图1中：信号功率放大电路1、滤波器2、双工开关3、智能水表ARM4、数据存储功能模块5、电池电量检测功能模块6、NB-IOT调制解调器7、SIM卡接口模块8、脉冲计数功能模块9、可拓展接口功能模块10、阶梯水价计费功能模块11、逆流检测功能模块12、表头直读接口功能模块13、天线14、电源15、阀门驱动电路16、阀门17、、数据安全加窃用报警功能模块18、加密解密功能模块19。

具体实施方式

无线信号经前述各功能模块程序后，经NB-IOT调制解调器7的数据接口发送给定义的智能水表ARM4，定义的智能水表ARM4收到数据后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数据采集模块将数据发送给定义的智能水表ARM4，由数据处理程序将这些数据由NB-IOT调制解调器7将编码、调制后的信号通过串口发送出去。智能水表ARM4初始化定义了表头直读接口，其中表头直读接口功能模块13的输入输出高低电平满足直读模块要求，用来实现对机械直读表头的数据的取读。定义的智能水表ARM4的阀门控制接口利用阀门驱动程序控制阀门驱动电路16，阀门驱动电路16驱动阀门17实现智能水表的阀门控制功能；定义的智能水表ARM4内置数据安全模块将数据通过定义的智能水表ARM4中的加密算法对数据进行加密运算，这样可以有效的保证数据的安全性，使用户的数据安全得到保障。定义的智能水表ARM4将处理解析加密后的数据发送给数据存储模块5进行存储操作。同时定义的智能水表ARM4还可用来控制各模块；同样定义的智能水表ARM4及解密程序将智能水表中的数据进行加密，由定义的智能水表ARM4及数据接口传输给NB调制解调器数字接口，经调制后的信号经串口传送给云端后台，定义的智能水表ARM4中嵌入了计费计量程序，除此之外定义的智能水表,ARM4还嵌入了控制领域常用算法。电池电量检测功能模块接口6及程序对电源电量进行检测，实现电池电量实时监控功能及电池电压掉电处理功能；逆流检测功能模块12及程序可实现对水表使用过程中的流向进行实时监控，当出现逆流问题时可由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；窃用报警功能模块20及程序，可实现对水表包括但不限于强磁攻击、外力冲击、非常规手段开启水表壳体等过程的记录及报警并将数据发送给云端提示报警；脉冲计数功能模块9接口及程序通过脉冲实现机电转换，完成用水流量计量监测功能；阶梯水价计费功能模块11及程序对自来水使用价格实现阶梯计量收费，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；SIM卡接口功能模块8及程序通过与NB模块对应的SIM卡通讯脚连接达到对SIM卡信息进行读写实现通信网络的注册与管理；可拓展接口功能模块10为以后新需求提供备用接口，可实现应用功能的扩展及技术方案的升级。

调制解调器的智能水表专用模组上电后，模块首先将NB调制解调器、智能水表ARM、数据存储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，当使用光电直读水表时，设置定时器中断时间，定时器中断后，表头直读接口程序对机械直读器中的数据进行取，定时器中断时间可通过无线设置，也可通过程序初始化进行设置；当使用脉冲计数水表时，程序会启动外部中断检测方式，当接收到脉冲信号时，程序会发生中断，通过中断的状态计算流量。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、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、水表机械计数器功能，脉冲计数功能。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。包括智能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，智能水表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智能水表ARM进行阀门控制，定义的智能水表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 (14)

1.本发明的特征在于智能水表MCU是由NB-IOT调制解调器的内部的一个ARM核及程序存储器、数据存储器、I/O接口等资源构成。

2.本发明的特征在于，此智能水表的全部功能由NB调制解调器内部的ARM上的资源来实现。

3.根据前述特征，本发明的特征还在于，智能水表数据传输功能由NB-IOT调制解调器的数据接口、控制接口与NB调制解调器内定义的智能水表ARM的一个数据接口、一个控制接口，以及通讯协议和程序构成，实现通讯控制与数据传输功能；电压电量检测功能由定义的智能水表ARM核中的一个数据接口与电压检测器及电压过低处理程序来实现电压检测功能及电池电压掉电处理功能。

4.本发明的特征在于ＮＢ智能水表的直读功能以及智能水表用水量计量功能由智能水表的机械计数直读传感器与ＮＢ水表专用模组定义的智能水表ＡＲＭ中的一个串行接口及直读程序实现。

5.本发明的特征在于，智能水表利用磁传感器以及脉冲记数程序实现脉冲水表计数功能，智能水表利用ARM的一个接口及脉冲计量程序实现水表流速检测功能。

6.本发明的特征在于，当智能水表采用脉冲计数时，使用脉冲计数模块的接口及程序来实现智能水表的用水量采集、流速检测功能，利用脉冲计数模块采集的脉冲信号实现逆流检测功能。

7.本发明的特征在于，此智能水表的脉冲计量、直读计量两种计量方式可根据需要进行初始设置，或采用无线方式进行设置，从而避免了产生两种不同的ＮＢ智能水表专用模组。

8.本发明的特征在于，定义的智能水表ARM核存储器存储的超小流检测处理程序根据自来水脉冲计数接口的状态进行判断实现防窃及漏水检测功能。

9.本发明的特征在于，定义的智能水表ＡＲＭ的两个接口与阀门驱动器及阀门驱动程序实现智能水表的阀门控制功能。

10.本发明的特征还在于，智能水表ARM核中的程序存储器的数据处理传输程序，将累计用水数据，用水流量数据，计量计费数据，阶梯用量阶梯价格数据，预付金额，电池容量数据，NB信号强度数据，水流方向等数据通过数据安全加密解密功能模块对数据进行加密，打包，通过 NB调制解调器，按照NB协议进行无线信号调制由功放天线，将数据线无线网络传输到后台，实现表具数据传输功能。

11.本发明的特征还在于数据安全加密解密功能模块的加密机制有别于NB调制解调器的数据空口加密安全机制,而是按水表通讯协议进行加密，该项功能由数据加密算法实现，存储在定义的智能水表ARM中。

12.本发明的特征还在于定义的智能水表ARM核中的存储器存储的数据接收处理程序将NB调制解调器从天线接收的无线网络发来的无线信号进行解调后的数据进行解密，解析，实现双向数据通讯及对定义的智能水表ARM进行控制，完成智能水表的各项功能。

13.NB-IOT调制解调器的智能水表专用模组上电后，模块首先将NB调制解调器、智能水表ARM、数据存储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，当使用光电直读水表时，设置定时器中断时间，定时器中断后，表头直读接口程序对机械直读器中的数据进行取，定时器中断时间可通过无线设置，也可通过程序初始化进行设置；当使用脉冲计数水表时，程序会启动外部中断检测方式，当接收到脉冲信号时，程序会发生中断，通过中断的状态计算流量。

14.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、欠压报警、窃用报警、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、水表机械计数器功能，脉冲计数功能，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，包括智能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，智能水表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智能水表ARM进行阀门控制，定义的智能水表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。