智能水表集抄系统中云服务数据集采网关的设计与实现

广东职业技术学院 欧浩源 王 毅 张建明

本文利用物联网和云计算技术，设计并实现了智能水表集抄系统中的云服务数据集采网关。该网关下行通过Zigbee技术与水表采集模块组建无线网络，进行用水数据抄收；上行通过NB-IOT技术与云端服务器建立连接，上报网关接管水表的实时数据。该网关接入集抄系统现场运行测试，下行数据抄收准确，上行数据传输可靠，整体运行功耗超低，具有很好的研究意义和实用价值。

随着物联网应用和云计算系统的技术成熟与应用普及，新一代信息处理技术为“水务+互联网”的应用提供了坚实的技术基础，也为水表数据采集和用水管理提供了更多的解决途径。智能水表集抄系统可以让水表具有思维，将城市的水表进行网络化和信息化，从而组建以水表为核心的物联网体系。通物联网与云架构建立以实时用水数据为内容的数据中心，根据用户实际使用情况进行抄收和按照相关标准进行水费计算。不但可以提高效率，还可以方便的做到实时抄收和阶梯结算。在智能水表集抄系统中，云服务数据集采网关（下称：集采网关）是一个承上启下的信息传递枢纽，是系统稳定运行的重要保障。

1 集抄系统的结构

本文的智能水表集抄系统中，最下面的感知层为装在用户水表上的水表数据采集模块。该模块通过累计霍尔元件上的脉冲数获得用户的用水信息。除了能够实时获取用户用水量之外，该模块还具有Zigbee通信模组，能够跟云服务数据集采网关组建Zigbee无线网络，进行用水数据的传递。集采网关对接管的各个水表完成数据采集后，将这些数据封装成约定的格式，然后启动上行的NB-IOT模组和云端服务器建立连续，上报最新的用水数据。集抄系统的最上层为自来水公司的数据管理系统，该管理系统从云端服务器中获取用户的最新用水数据进行结算和管理等工作。整个智能水表集采系统的结构如图1所示。

图1 智能水表集抄系统的结构

2 集采网关的系统设计

集采网关在智能水表集抄系统中是信息传递枢纽，下行承担着对用户水表用水数据采集的任务，上行需要与云端服务建立连接，上报用水数据。在本网关的系统设计中，除了要实现上下行通信功能之外，还要做好整体的低功耗处理。集采网关的系统设计如图2所示。

图2 集采网关的系统设计

集采网关主控芯片采用ST公司的超低功耗微处理器STM32L451C8T6，该微处理器提供ShutDown关机模式，在该模式下待机功能可达5uA。网关的下行通信采用CC2530模组与各个水表进行Zigbee无线组网；上行通信采用L620模组与中国电信的云服务器建立通信信道，在特定的时间段上报网关接管水表的全部实时数据。

为了使集采网关的综合功耗更低，在硬件电路上设计了电源管理和硬件开关机两个部分。集抄系统需要进行水表数据采集的和向云服务器上报数据的时候，主控芯片处于正常工作状态，控制电源管理电路给相应的模组供电。只有在向云服务器上报数据的时候，主控芯片才会通过硬件启动L620模组与云服务器上线连接。当水表数据采集或数据上报工作完成后，主控芯片首先计算下一次唤醒时间的计算，并将该时间设置到RTC外设的闹铃参数中，然后进行关机模式，直到RTC闹铃触发才会重新唤醒主控芯片，进入正常工作模式。

3 上行通信部分设计

集采网关上行通信部分以上海移柯的NB-IOT模组L620为核心进行设计。L620模组低功耗超低，在3.3V电源下PSM模式只有3.5uA，非常合适本产品的设计理念。模组为45脚LCC封装，本部分的硬件设计框图如图3所示。

图3 集采网关上行NB-IOT硬件设计

L620模组提供了三路串行通信接口UART，其中UART1为全功能的串行异步通信接口，作为本集采网关通信接口，与主控芯片STM32L451的USART3连接。L620模组的UART接口电平为1.8V，与STM32L451的接口电平不匹配，故在它们之间需要增加一个电平转换电路。

L620模组支持并能自动检测3.0V和1.8V的SIM卡。模组通过4根线与SIM卡座进行连接，分别是：SIM卡数据引脚SIO，SIM卡时钟引脚SCLK，SIM卡复位引脚SRST和SIM卡电源引脚SVIM。在硬件设计时，SIM卡座尽量靠近L620模组SIM卡接口的位置，避免因走线过长，导致波形变形而影响信号的完整性。SCLK和SIO信号线走线必须包地保护，在SVIM和GND之间需要并联一个1uF的电容，以滤除射频信号的干扰。

L620模组提供硬件开关机功能，在不要上报数据的时候，由主控芯片通过该引脚把模组关闭，以减小整机的功耗。模组的第30引脚为硬件开机输入端，在L620模组上电后，可以通过拉底该引脚300ms～1s后再释放，使用模组开机。在需要硬件关机的时候，拉底该引脚8～11s即会触发模组关机，整个关机流程需要1s才能完成。

4 下行通信部分设计

集采网关上行通信以TI公司的CC2530芯片为核心的模组进行设计。该模组的UART1接口与与主控芯片STM32L451的USART1连接，主控芯片通过该串口向Zigbee模组发送抄收命令和接受水表数据。CC2530模组中移植Z-Stack协议栈，在该协议栈中编写应用程序，以任务管理的方式实现集采网关命令响应、水表数据抄收，水表数据上传，网络组建维护等功能。本部分的硬件设计框图如图4所示。

图4 集采网关下行Zigbee硬件设计

结束语：本文设计的智能水表集抄系统中的云服务集采网关已完成样机测试，在近1年的现场投运过程中，下行水表数据采集尚未发现丢包情况，上行的数据上报偶有掉线，整体成功率在95%以上。系统在关机模式下功耗在8uA左右，正常工作时在15mA左右，基本上达到设计预期指标，能够满足集抄系统使用要求。