新型智能水表开发板让“偷水者”傻眼了

    计量，属于直接触动人们切身利益，且非常敏感的行为。例如，日常买卖中的计量器具是否准确，家用电表、煤气表和水表是否合格，以至公共交通的时刻是否准确等，都会对人们的生活产生一定的影响。以最为常见的水表为例，全球目前共部署水表约15亿块，但由于不适当和不准确的感测和测量，仅水务公司每年配送的供水损失就高达30%。
 
　　“将机械水表替换为更精准的超声波传感器测量水表的呼声日益高涨。据我们了解，很多新开盘的房产项目都采用了超声波水表，这是未来的新趋势。”德州仪器(TI)中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇提供的数据显示，仅在美国，超过80%的供应商已投资或计划投资智能水基础设施，以提高运营效率并减少水损失。而全球智能水网络市场的营收也有望从2016年的26亿美元增长到2025年的72亿美元。
 
　　使用超声波技术进行流量计量
 
　　在当前大部分流量计的设计中，其活动部件都会使用机械感测，例如使用电感电容器(LC)、巨磁电阻(GMR)、隧道式磁阻(TMR)或霍尔效应传感器捕获螺旋桨或叶轮的运动，该运动根据流量而变化，并被转换成数据并传递给测量单元。因为有活动部件，所以可能会出现磨损和不准确的情况。
 
　　这些仪表的寿命普遍较短(不到7年)，并且不能检测到低流量或小泄漏。同时，介质污染、污垢积聚以及部件的结垢和老化也会影响测量精度，很可能导致传感器结果不准确，因此还需要定期对流量计进行重新校准。
 
　　刁勇认为超声波传感可以有效避免上述问题的发生。理由包括：传感技术非常精确(<±1%)，具有较长使用寿命(> 10年)，可以方便地检测不同成分的液体或气体，并调整介质和管道腐蚀污染的影响。超声波仪表没有活动部件，因此无需重新校准。
 
　　从技术角度来看，用于流量测量的超声波频率范围为100kHz至4MHz。使用一定频率的电脉冲信号激发超声波传感器从而产生相应频率的超声波，并使用同一声波传输路径从两个对立的方向在不同时段发射声波并测量声波传输时间(Time of flight)。通过计算上下行传输时间的绝对时间差，进而计算出实际流量。
 
　　安装在流管内部或外部的一对或多对超声波传感器可以用来测量TOF。下图所示为简易的超声波测量原理和一些常见的超声波传感器布置拓扑。超声波传感器的选择取决于待测流体的介质类型。通常，待测流体为液体时使用频率大于等于1MHz的超声波传感器，待测流体为气体时使用频率小于等于500kHz的超声波传感器。
 
　　TOF测量的精确度将直接影响流量计量的分辨率和精度。TOF通常以皮秒(ps)或纳秒(ns)计量，它的主要参数包括零流量漂移(ZFD)、标准偏差(STD)、最小和最大可检测流量、流量、流速、体积、绝对值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF，国际标准化组织(ISO)4064、国际法制计量组织(OIML)R49和欧洲标准(EN)1434是流量表行业最常见的标准。
 
　　一款真正意义上的集成式SoC
 
　　与同样庞大的电表市场不同，水务公司通常是本地化的，规模远远小于电力公司。与完成智能电表安装相比，自动仪表读数(AMR)模块和标准无线通信网络的出现使得部署成本更加低廉，能够帮助水务公司在网络运行的基础上有效降低运营成本。
 
　　MSP430FR6047是TI日前针对更精确的水表计量和远程抄表需求而推出的微控制器系列，带有集成超声波感应模拟前端，能够提高智能水表的精度并降低其能耗。刁勇认为这是一款真正意义上的集成式SoC，开发人员能够利用完整的波形捕获功能和基于模数转换器的信号处理功能，为流量计增加更多智能特性。
 
　　该器件的零漂平均值为25皮秒或更低，标准差为32皮秒或更低，因此可以检测到低于1升/小时的流速，相当于以前的滴漏损耗也可以计量。高集成架构可以将水表系统组件数量减少50%，功耗降低25%，据称可在不为电池充电的情况下，确保水表能够运行10年或更长时间。此外，新型MCU还集成了一个用于高级信号处理的低能量加速器模块、256KB的铁电随机存取存储器、液晶显示器驱动器和计量测试接口。
 
　　与MSP430FR6047同步推出的还包括两款新型参考设计，可以更轻松地设计模块，为现有机械水表新增自动抄表功能。
 
　　第一种由单芯片SimpleLink双频带CC1350无线MCU启用，该参考设计还能够使设计人员为AMR网络添加双频无线通信。设计人员可以利用参考设计的小尺寸特性，轻松改装现有机械流量计，使水务公司能够添加AMR功能，同时无需更换已安装的仪表。CC1350无线MCU在测量水流量时仅消耗4uA电流，从而延长了产品的使用寿命。
 
　　第二个新型参考设计是基于SimpleLink Sub-1GHz CC1310无线MCU的超低功耗解决方案。低功耗无线M-Bus通信模块参考设计采用TI的无线M-Bus软件堆栈，并支持868 MHz频段内的所有无线M-Bus操作模式。该参考设计可提供一流的功耗和灵活性，支持跨多个地区的无线M-Bus部署。
 
　　MSP430超声波感应设计中心提供快速开发和灵活定制的工具，包括软件库、图形用户界面(GUI)、带度量衡和数字信号处理库的评估模块，开发人员可利用它在几个月内让产品上市。
 
　　对于是否支持目前极为火热的NB-IoT标准，刁勇表示，由于NB-IoT研发投入巨大，TI暂时还未纳入考虑，下一代新产品将以提高ADC精度(以便测量气体)和降低FRAM容量(降低成本)为重点。