水表如何变得既精准又智能？用超声波测量方案可行

当你们家的水管坏了，水滴了一夜家里的机械水表却没转动，一般人会认为是水表坏了，其实这不是水表的问题，是所有机械水表都有得测量不准的通病。因此，往往从自来水厂输出了1000吨水，而收费时测量的用水量只有700吨，损失高达30%。为了解决水表的测量精准度问题，一些自来水厂开始进行改造，将机械水表替换为更精准的超声波传感器测量水表。据统计，超过80%的美国供应商已投资智能水表基础建设，以提高运营效率并减少谁损失。全球智能水网络市场的营收将从2016年的26亿美金增长到2025年的72亿美金，增长潜力巨大。

最近，TI就推出了智能水表单芯片超声波感应微控制器以及解决方案，以帮助自来水厂实现水资源管理、准确测量和及时计费。德州仪器中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇介绍，“MSP430FR6047 MCU系列使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（ADC）的信号处理，为流量计增加更多智能特性。”

德州仪器中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇

采用超声波检测技术，测量更精准
TI的解决方案采用的是超声波检测技术，相对于机械测量的优势在于，精度<±1%，无活动部件或磨损，延长设备使用寿命；成本比较低，所需要的服务和维护少；抗振动、红外辐射、EMI，可以轻松添加通信设备。从测量参数来看，刁勇分析，“相较于竞争对手的器件，这种技术可以更准确地进行测量，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，这就相当于以前的滴漏损耗也可以计量。”

从集成度来看，MSP430FR6047器件集成了模拟前端—超声波感应解决方案，包括可编程脉冲发生（PPG），以不同频率产生脉冲；具有低阻抗输出驱动器的集成PHY，用于控制输入输出通道；高性能、高速12位Sigma-Delta ADC，输出数据速率高达8M MSPS；可编程增益放大器和高性能PPL。还配备了计量测试接口、用于数字信号处理的低能量加速器（LEA）、优化的低功耗模式。刁勇表示，“这些配置可以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。”

支持无线传输，让水表实现智能化
由于一直采用机械水表，每个月需要自来水公司派专门的工作人员挨家挨户查水表，计算以后再派发水费单，用户才能到自来水公司或者银行缴纳水费，耗时耗力，而且准确性差。如果加上无线传输功能，水表能够自动计费，以前的这一系列工作就会全部免除。TI的新型低功耗水流测量参考设计可以满足这些需求，刁勇介绍，“我们的方案分为两种：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；第二种是基于SimpleLink Sub-1 GHz 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。中国采用的是前者无线标准，欧洲采用的是后者无线标准。”

除了硬件部分，TI的方案还配置了超声波感应软件和工具，采集到的数据传输到软件处理中心，电脑就可以自动完成水费计算，免去以前的人工抄表计算流程。当然，很多人可能会想到最近比较火的NB-IoT，TI的参考设计还未做支持，刁勇表示，“由于NB-IoT研发投入巨大，暂时还未纳入考虑。”

模块替代，帮助自来水厂节省资源
有了元器件和开发模块，怎样对机械水表进行更新换代？如果把原有的机械水表全部废弃，再换一套新的电子测量水表，这对自来水厂来说耗资巨大，因此很多地区选择了对原有的设备进行局部改造。将超声波传感器安装在流管内部或外部的一对或多对超声波传感器就可以用来测量TOF。一对超声波换能器可以直接与MSP430FR6047 MCU集成的超声波外设（USS）连接，USS使用高速8MSPS的Sigma-Delta ADC可以灵活的对每个传感器进行独立的激励和响应捕获。USS再将捕获的波形采用多种数字信号处理算法进行下一步处理。

MSP430超声波感应设计中心提供一个全面的开发生态系统，开发人员可利用它在几个月内让产品上市。该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（DSP）库的评估模块，开发人员可以快速实现原有设备的改造。