引言

物联网( Internet of Things，IoT) 和互联网二者之间虽有一字之差却有很大的关联，物联网简单来说是指物品通过无线传感器等信息传感设备和互联网进行连接，实现对传感器采集的信息数据进行处理。

随着科技的进步和发展，物联网技术逐渐成熟，被越来越多地应用到工业、医疗、园艺等领域。近年智能水表快速发展，2014 年，智能水表的产量为1243 万台，同比增长达到17.6%。由于南北的地域差异化，南方地区主要是以远传水表位主，而北方主要以智能卡式预付费的水表为主。

物联网水表是一款新型的智能水表，与传统的远传水表和智能水表相比，具有实时性强、安装简易以及易于数据采集和分析等优点。在传统水表旧模式下，水表表据传输是需要数据线、手持机、中继器以及集中器的共同作用才能下进行工作，在安装使用过程中任何一个细小环节出现问题都是会导致一系列问题，致使水表的后期维护要求和成本增加。而在物联网水表的设计安装中，无需打孔、布线等现场操作，只需将表具安装在管道上即可，所有的数据信息采集、处理及调试都通过物联网技术在计算机终端完成。

物联网水表系统设计框架

本次设计的新型物联网水表总体框架主要是由表具内置的无线传感器、GSM 无线传输模块、远程监控系统( B/S 架构) 以及企业数据库四大部分构成。现场信息数据的采集由无线传感器完成，各组成模块相互协作，共同完成对居民水表使用数据的采集、传输及分析。该表可实现远传操控，从水表直接连接云端，对用户水表进行抄表控制，省去了以往传统模式下的“抄水表”。系统整体框架可分为感知层、数据层、应用层和表示层。系统整体框架图如图1 所示。

①　系统感知层，水表内部的温度传感器和流量采集传感器通过传感器的路由节点来收集居民所用水的实时温度以及居民用水量等数据信息，各节点之间采用的是网络拓扑结构，以便可以选择一条最优的路径传输数据，在ZigBee 技术的配合下将各传感器节点和汇节点之间实行无线通信； 汇节点经过MCU 控制将数据汇总之后传输到应用层的GSM通信模块数据终端。

②　当感知层传感器各节点完成信息采集后，数据将会被传输至应用层和表示层，应用层和表示层将接受到的信息在远程监控系统( B /S 架构) 上的设备上远程实时显示。B /S 架构建立在广域网上，面向不同的用户群，设计的范围很广，而水表的使用也正是地域广，分布散的特点。

③　相对C /S 架构而言，B /S 架构中工作界面可以通过浏览器进行操作，简化了系统的开发、维护和使用。在系统感知层和应用层之间存在网络层，主要功能是当感知层传感器节点收集好数据后，将会把数据先传输给中移动GSM 无线传输模块，在通过GPＲS 网络后将数据存储在数据库中，再传输到远程监控中心，实现数据从感知层到应用层或者表示层的传输。

物联网水表硬件系统架构

流量采集

物联网智能水表的主要功能是实现用户用水量的采集，即流量的采样功能。模块采用超声波换能器( 1MHz) 获取流量信号，采用6902 芯片测量管内声波正程、逆程时间，计算时差，再将时差信号转换为相对应的流量信号，同时通过硬件补偿、软件修正的方式保证在每段流量范围内，都能达到符合要求的测量精度。流量采样分三种模式: “用户模式”、“检定模式”、“快速采样模式”，在“检定模式”和“快速采样模式”下，换能器的采样频率1 /125ms，以保证测量的精度; 在“用户模式”下，换能器的采样频率为1 次/500ms。流量校准时，实际流量与标准流量的误差不得超过20%; 在“检定模式”下，若停止测量超过10秒，则再次启动测量时，测试流量从0 开始计数，测试流量与累积流量互不影响，“检定模式”下累积流量也累加。

温度采样

物联网水表不仅可以显示用户用水量，还可以显示所用水的温度情况，采用一只Pt1000 的温度传感器，使用恒流源式测温电路，设定声速反推温度作为后补。温度采样同样分为三种模式，为“用户模式”、“检定模式”和“快速采样模式”。在“检定模式”与“快速采样模式”下，温度传感器的采样频率为1 次/6s，以保证测量的精度; 在“用户模式”下，温度传感器的采样频率为1 次/30s，以降低整机的功耗。当温度传感器发生( 短路、断路) 故障时，报警温度出错，同时采用声速反推的温度作为表计温度，以确保流量采样正常进行。电路图如图2 所示。

系统通讯及数据采集

水表通信系统基于ZigBee 无线网络通过和内置的中移动GSM 卡及无线通信模块协同作业的模式。ZigBee 无线网络模块采用CC2530 主流通信芯片，并且使用网状拓补结构，将各水表的路由节点采集的信息结合移动网络传输到远程控制中心。

物联网水表硬件处理器采用MSP430F448 单片机，具有低电压、超低功耗性能等优点。低功耗特性体现如下: 第一，芯片的CPU 和其他功能模块可以在不同的时钟进行工作，使其在低频的工作模式下可以降低功耗; 第二，由于水表功能模块较多，将产生多种复杂的中断，使用MSP430 主控芯片可以尽可能的适应各种中断驱动系统的需求。MSP43 和CC2530 芯片可以共同通过串口的通讯方式来实现对数据的收发。当感知层采集数据后通过模块转换，由RS232接口将信息传递给中移动GSM 卡的无线传输模块，经过内置的TCP /IP 协议转换模块实现无线数据的收发。然后将数据进行打包后以数据包的形式通过GPRS/Internet 网络传输到远程的控制中心。硬件处理器和ZigBee 无线网络模块相互结合使用可以实现对水表自动开关阀以及对水表上电、掉电和低压检测的自动控制操作。

时间：2017-11-27