智能化水表原来有这几多“门道”? | 智慧产品圈

原创 李映 2017-11-01
标签 智能硬件

  作为测量水流量的仪表——水表,已有近200多年的历史,目前全球的部署量已达15亿块。但存在的问题在于不适当和不准确的感测和测量,使得水务公司配送的供水损失高达30%,因而提升水表的智能化水平实现更精确的水表和远程抄表成当务之急。有数字表示,全球智能水网络市场的营收将从2016年的26亿美元增至2025年的72亿美元。在中国,智能水表的市场规模亦在稳步提升,到2020年智能水表的渗透率将接近45%,年出货量达4500万台。

  电子式取代机械表 超声波异军突起

  水表作为流量计的一种,在结构上包括传感器、计量单元和通信单元三个单元。依托于技术的进步和物联网的发展,水表的智能化也开始“两路并发”。“水表智能化或依托从机械式向电子式方向演进,包括超声波水表等;或为水表增加通信模块,使远程抄表及监控管理更简便易行。” TI中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇指出。

  “因传统机械式水表是利用水表内叶轮的旋转速度来连续测定流过水的体积,有压损大、精度差、始动流量高等缺点。” 刁勇解释说,“为克服这些问题,电子式水表应运而生。”

  而水表向电子式的进阶主要分两类。“一种电子式严格地称是半机械式,即使用电感电容器、巨磁电阻或霍尔传感器等来捕获螺旋桨或叶轮的运动,然后转换成数据并传递给测量单元。” 刁勇提到,“这些仪表由于有活动部件,会出现磨损和不准确的情况。并且寿命普遍较短(不到7年),无法检测到低流量或小泄漏。同时还存在污染、污垢积聚及部件老化影响测量精度,以及定期校准等问题。”

  因而以超声波传感器为主的纯电子式开始崭露头角。刁勇分析说,水务公司对水表的需求侧重于高精度、长寿命、低成本等方面,而超声波传感器是在100kHz至4MHz频率范围内通过测量声波传输时间(TOF)的绝对时间差,进而计算出实际流量,不会发生如介质污染、污垢以及老化等影响测量精度的问题,高精度得到有效保证。并且无须重新校准,具有较长使用寿命(>10年),可谓“完美”对接需求。“虽然前期相比半机械式,超声波方案的成本较高。但从后期维护成本和使用成本来看其实相当,因此水务公司正转向安装越来越多的超声波水表。” 刁勇十分看好超声波水表。


  除水表智能化外,由于水务市场企业规模较小、数量较多的特征,为了降低成本,亦迫切需要依靠AMR(自动仪表读数)降低运营成本,为水表增加通信模块也成为一种智能化的选择。

  首款SoC 应对挑战  实现高精度和低功耗

  超声波传感器来了,带来的是对水表主控芯片的“芯”要求。刁勇认为,主要挑战在于高精度的采集、高速的算法处理、低功耗的运算等。而TI近日推出的业界首款智能水表SoC超声波感应MCU—MSP430FR6047,围绕上述挑战是“各个击破”:集成模拟前端、用于数字信号处理的低能量加速器(LEA),以及功能强大的MSP430FR超低功耗MCU。

  超声波水测量的精度主要取决于TOF的精度。刁勇介绍说:“MSP430FR6047的超声波模拟前端ADC达到了8MHz,飞行时间精度可达25ps,而绝对精度达到5 ps,因而可检测到每小时一升的滴漏情况。”

  而另一革新在于低功耗加速器(LEA),它具有DSP功能,专门进行超声波算法计算,并可独立于MCU。刁勇表示,如果采用MCU,功耗会非常高。通过TI的评估显示,在超声波测量方面,LEA比基于Cortex-M0的MCU速度快40倍。

  同时,MSP430FR6047继承了MSP430家族优秀的低功耗DNA,每秒测量功耗仅为3μA。刁勇提到,如果采用霍尔传感器等测量方案,再加上外部MCU资源,平均耗电水平则为6μA左右。

  值得称道的还有TI的铁电存储器FRAM,最大容量为256KB,保证了数据存储读取的安全性、低功耗以及长期可靠性。同时,此SoC还具备丰富的外设资源,可满足水表的所有功能需求,包括通信、管理、显示、控制等。除硬件优势之外,TI还提供相应的软件和硬件开发工具,以加速客户的设计周期。 “相较于竞争对手,此SoC不仅可实现更准确地测量,检测到低于1升/小时的流速。此外,高集成度可将水表系统组件数量减少50%,功耗降低25%,在不为电池充电的情况下,水表能够运行10年或更长时间。” 刁勇对这些表现如数家珍。


  实现自动抄表  通信方式以2.4G和M-Bus为

  除了水表高精度测量的“演进”之外,应用通信模块实现远程抄表也是智能化的招数之一。刁勇认为众多小型水务公司,无法负担对现有的水表进行完全更换所需的巨大投入,因而或会在现有水表基础设施上增加一些通信功能,以实现自动抄表或实时监测水网运行状况。

  针对这一需求,TI开发了两个全新参考设计。第一个参考设计TIDA-01228基于LC传感器,即传统无磁水表,采用单芯片SimpleLink双频带CC1350无线MCU。“它可实现无磁水表的计量,同时还支持2.4G和Sub-1GHz无线通信。在测量水流量时仅消耗4uA电流,从而可大幅延长寿命。设计人员无需更换已安装的仪表即可添加AMR功能。” 刁勇表示。

  而另一款新参考设计TIDA-01531是基于SimpleLink Sub-1GHz CC1310无线MCU的超低功耗方案。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。刁勇告诉记者,无线M-Bus是欧洲广泛采用的一种无线抄表方式,目前中国很多表厂亦在考虑采用M-Bus通信技术。

  值得注意的是,对于最近火热的NB-IoT,TI的解答是尚存一些技术和应用问题,还需要一段时间去研究决定是否跟进。

  对于下一代产品TI也在规划。“TI后续将提高ADC精度,以便测量气体。因为气体密度更小,超声波信号在气体里通过时衰减比在水中更大;此外,未来面向中低端水表,TI也会推出存储容量略低的高性价比产品。”刁勇强调。

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