一种自供电智能水表的设计

摘 要：现有智能水表多数采用外接电源或一次性电池供电，在实际应用中存在布线麻烦、安装不便、需频繁更换电池、不利于环境保护等问题。基于此，设计了一种无需消耗外界能源，由微型水轮发电机实现自供电的智能水表。该智能水表以AT89S52单片机为控制核心，硬件包括F50-12 V型微型水轮发电机、可充电电池、DN32型霍尔水流量传感器和NB-IoT模组，软件包括水流量采集模块和远传通信模块。该智能水表在没有外部能源消耗的情况下，可将环境中的能量收集起来为智能水表系统供电，实现了环保节能的效果；同时，可通过无线通信技术将水表的数据远程传输到供水公司或用户的设备上，免去了手动抄表的麻烦，实现了远程监测和管理。这不仅降低了供水公司的管理成本，提高了水资源的利用率，也为用户更好地管理和监控用水情况提供了便利。设计的智能水表在不消耗外部能源的情况下，实现自供电和远程数据传输，结构简单，成本较低，具有一定的应用价值。

关键词：智能水表；自供电；远程传输；单片机；低功耗；AT89S52单片机

中图分类号：TP393；TH814.2 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

在智慧城市的建设中，供水网络是极为重要的一部分，如何有效管理供水网络是建设智慧城市所面临的关键挑战。水表是管理供水系统的一项重要仪器，用以计量从公共供水系统向住宅或商业楼宇供给的水量[1]。传统的机械水表虽具有成本低、结构可靠的特点，但其计量精度低、测量范围窄，无法实时、自动地检测用水量，需要水务工作人员定期访问水表安装地点进行人工抄表，且用水量的计算需要用到以往的用水数据，这一过程需要相当大的操作成本，且耗时、容易出错。随着大数据与物联网技术的发展，如今有了电子式智能水表。电子式智能水表具有漏水报警、自动抄表、可实时给用户提供用水信息的功能，有助于用户实时了解用水信息[2]。现有的智能水表虽然具有高精度、远程监测、低功耗运行等优点，但其需要外接电源或采用电池供电。外接电源虽能长时间保证智能水表的正常工作，但其存在布线麻烦、安装不便的弊端，而一次性电池供电水表虽可以解决以上弊端，但其因电池容量有限，若出现电池电量不足的情况，水表将无法快速地关闭水阀，造成无法计费、逃水等情况出现，并且这两种供电方式都需依靠外部的能量。

基于此，设计了一种利用微型水轮发电机实现自供电的智能水表。该智能水表在不消耗外界能源的情况下，实现自供电，避免了传统水表需要布线和频繁更换电池的问题。所设计水表还具有结构简单、低成本、高精度、使用寿命长的特点，具有一定的实用价值。

1 自供电的智能水表的工作原理

图1所示为所设计智能水表的工作原理，该水表分为两部分：水表本体和微型水轮发电机，它们毗邻布置在一根水管上，由电线相接。微型水轮发电机产生的电经电源管理模块调整后输送给水表中的可充电电池，可充电电池再为AT89S52单片机、霍尔水流量传感器和NB-IoT芯片供电。霍尔水流量传感器将收集到的水流量信息传输给AT89S52单片机，经单片机处理后再由其外接的NB-IoT芯片与NB-IoT基站连接后发送至用户终端接收器上。

2 水表整体结构设计

自供电智能水表的整体结构设计主要包括能量收集模块、水表流量计量模块和无线通信模块。

2.1 能量收集

在居民供水系统中，水表的周围有多种获取能量的可能途径，如光能、水流动能、温差、机械振动等。水表大多安装在隐蔽的环境，如壁橱、水表间等，这些地方无法利用风能或者光能进行发电。考虑到自来水管中的水流是良好的能量来源，故本设计采用F50-12 V型微型水轮发电机，该发电机可产生12 V的稳压直流电，足够保证智能水表的用电需求。所选用的微型水轮发电机结构如图2所示。

微型水轮发电机是通过电磁感应产生感应电动势，将水流的动能转换为电能，经整流器后输出直流电，为整个系统供电[3-6]。当水经过微型水轮发电机时会带动转子转动，磁铁也随着转子转动使定子线圈相对磁铁的磁极不断变化，从而使线圈内的磁通量发生变化而产生感应电动势。

2.2 水流量计量

霍尔水流量传感器是一种涡轮式流量计，是利用霍尔效应来测量磁性物理量，具有精确度高、可检测微小流量变化、价格低廉等优点。该流量计管道中心安装有一个多叶片的叶轮，两端用轴承支撑。当水流快速流过水管时，水流冲击叶轮的叶片，对叶轮产生驱动力，叶片克服摩擦力矩和流体阻力从而旋转。当叶轮转子转动时，会产生不同磁极的旋转磁场，当磁极靠近霍尔元件时，霍尔元件接通；远离时，霍尔元件被断开。由于霍尔元件输出的信号频率与叶轮转子的转速密切相关，而叶轮的转速与水流量成正比，因此可以通过传感器在单位时间内反馈的信号判断水流量大小[7-8]。本设计采用的DN32型霍尔水流量传感器，其流量测量范围为3～120 L/min，通过水轮转动使磁极变化触发霍尔模组产生脉冲来测量水流量，满足自来水管的测量要求。

2.3 无线通信

该智能水表通过无线接收和发送模块将水流量传感器收集的数据传输到相关基站，从而实现远程抄表。智能水表的无线通信是利用无线技术实现水表与用户手机、数据中心等设备之间数据传输的一种通信方式，其可以满足远距离的传输需求。同时智能水表的无线通信具有实时监测的优点，可应用于住宅、广场、工厂等场合。

基于以上智能水表无线通信的多种特征和优点，本设计采用的无线通信系统可分为感知层、传输层、平台层和应用层四部分。智能水表感知层所要实现的功能是收集用水量数据；传输层需实现通信模块与NB-IoT基站连接，将数据传输至云平台；平台层所要实现的功能是接收从水表传输来的数据并存储；应用层即用户可以在手机的程序上查询到云平台上所存储的数据。所设计的通信系统结构如图3所示。

无线通信系统结构的传输层涉及NB-IoT技术，其具有低功耗、低成本、穿透能力强、通信连接稳定等特点，适合应用于智能水表的信息传输。微控制器与NB-IoT模组通过串口连接以传输数据。本设计选用的NB-IoT模组是中国移动的M5310A。M5310A芯片是一款工业级多频段NB-IoT模组芯片，内嵌MQTT/LwM2M/COAP等多种传输协议及扩展AT指令，通过使用简单的AT指令即可实现 NB-IoT 模块与云平台之间的连接[9]；并且该模组支持PSM和eDRX两种节电技术，适用于本文设计的能量来源有限的低功耗智能水表。

3 软件系统设计

软件设计是智能水表设计的重要部分。本系统的软件系统设计分为系统初始化模块设计、水流量信息采集模块设计、通信系统模块设计三部分。

3.1 系统初始化模块设计

单片机是智能水表软件系统的控制核心，而单片机软件程序的编写首先需要进行初始化，如图4所示。本文设计的软件系统的主程序首先对定时器进行初始化，主要为了得到串行通信发生所需的波特率，该波特率需与NB-IoT模块高度相同，其决定着单片机与NB-IoT模块之间的信息传输速度；其次进行串口初始化，主要是针对单片机中与水表收发数据相关的寄存器以及I/O口的初始化；然后对串口重要参数进行初始化，主要包括起始位、停止位、字长以及收发模式；最后进行串口中断的初始化，设置中断源，使发生相应事件时有相应的中断子程序来处理事件，串口即可完成数据的发送和接收工作，为水流量信息采集模块设计做好准备[10]。

3.2 水流量信息采集模块设计

智能水表监测的水流量信息是以霍尔传感器输出脉冲的形式传递给单片机，因此数据采集程序的设计采用外部脉冲信号触发中断的方式。霍尔水流量传感器将产生的脉冲信号传递给单片机时触发中断，单片机随即开启脉冲信号处理子程序，开始采集水流量信息（如图5所示）。单片机根据产生的脉冲数和相应的系数计算后可得出用水量。将计算得到的用水量存储到FLASH中用于后续信息的传输和日后查阅数据。

3.3 通信系统模块设计

本文设计的通信系统模块的主要功能为定时发送水流量信息。为了实现水流量信息的定时传输，该通信系统模块的触发采用定时器中断的方式。每当设定的一小时计时时间结束后，单片机便会触发一次中断。如图6所示，中断触发后，单片机首先申请加入NB-IoT网络，随后通过由串口连接的NB-IoT模组发送包含水流量信息的数据，该过程主要包括命令的构建、发送和错误处理。命令构建的过程主要是将水流量数据按照一定的格式构成符合NB-IoT协议要求的数据包。在数据包构建完成后，单片机将通过串口发送命令并进行异常数据的处理，以确保数据的准确传输。最终，通过上述流程，智能水表将能够实现高效、精确、稳定的水流量信息定时传输。

4 结 语

针对现有水表需要消耗外部能源、无法实现远程抄表等缺点，设计了一种新型的自供电智能水表，该水表采用微型水轮发电机收集能量为整个水表系统供电，并采用NB-IoT通信技术将水表数据远程传输到供水公司或用户的设备，实现了在无需外界能源供应的情况下实时监测用户用水信息，避免了人工抄表，提高了供水公司的管理效率。该智能水表实现了自供电和远程数据传输，结构简单，成本较低，具有一定的实用价值。

注：本文通讯作者为邢春晓。

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作者简介：朱厚森，男，本科生，从事智能农机研究。

邢春晓，男，讲师，从事智能农机研究。

收稿日期：2023-04-19 修回日期：2023-05-15

基金项目：自治区级大学生创新项目（S202310758026）