編者按：權(quán)威數(shù)據(jù)表明，因?yàn)檎麄€(gè)水測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)不完整或準(zhǔn)確度不高，導(dǎo)致管網(wǎng)損失，從自來(lái)水公司出來(lái)再分布到各個(gè)用戶的家庭水損失高達(dá)30%，其中核心原因是由傳統(tǒng)機(jī)械水表造成的，如何更新升級(jí)機(jī)械水表使之更智能化成為水務(wù)公司當(dāng)前迫切的需求。日前，德州儀器公司推出了業(yè)界最先進(jìn)的智能水表技術(shù)解決方案，希望可以加速水表智能化的進(jìn)程，德州儀器中國(guó)區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇先生接受了筆者的專訪。

德州儀器中國(guó)區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇

水表從信息化走向更加智能化

有數(shù)據(jù)顯示，在美國(guó)有80%的水務(wù)公司已經(jīng)在投入或者有一些公司已經(jīng)計(jì)劃在更新水務(wù)計(jì)量的基礎(chǔ)設(shè)施。通過(guò)給水表加裝信息模塊或更換先進(jìn)的電子水表等基礎(chǔ)設(shè)施的更新，能夠提高運(yùn)營(yíng)效率和減少管網(wǎng)水的損失。

有個(gè)市場(chǎng)分析報(bào)告指出，整個(gè)水表智能化市場(chǎng)潛力非常巨大，智能水表的市場(chǎng)規(guī)模將從2016年的26億美元規(guī)模增長(zhǎng)到2025年的72億美元。

水表從信息化走向更加智能化的趨勢(shì)同樣開(kāi)始出現(xiàn)在中國(guó)，而這一趨勢(shì)的背后是對(duì)新型技術(shù)與半導(dǎo)體產(chǎn)品的新需求。

針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化改造，基于成本的考慮水務(wù)公司正在采取兩種方式實(shí)施。

第一種方式是在傳統(tǒng)機(jī)械水表上加裝信息通訊模塊，增加自動(dòng)抄表或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水網(wǎng)運(yùn)行狀況的通信功能，這樣可以把水表的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)管理中心。

第二種方式是部署全新的全電子化水表，其中超聲波水表因維護(hù)簡(jiǎn)單且通訊方便成為首選。特別指出的是，超聲波水表還能夠?qū)崿F(xiàn)各種水質(zhì)或者水成分的檢測(cè)，它能夠給水務(wù)公司在水成分的分析上提供更有效的一種手段，從而把水表從信息化時(shí)代推向智能化時(shí)代。

使用超聲波技術(shù)進(jìn)行流量計(jì)量

超聲波技術(shù)已在民用、醫(yī)療和軍事應(yīng)用中有上百年的歷史，最新的超聲波應(yīng)用已發(fā)展到工業(yè)和汽車市場(chǎng)的自動(dòng)化中。超聲波技術(shù)的非接觸性質(zhì)使其成為水務(wù)、醫(yī)療、制藥、軍事和工廠等液體流量計(jì)量的絕佳選擇，其操作環(huán)境也大大超出人們所了解的范圍。

基于超聲波技術(shù)的液體流量計(jì)可用于住宅和工業(yè)環(huán)境中，包括住宅和工業(yè)儀表中的簡(jiǎn)易功用表（氣表、水表、熱量計(jì)）或危險(xiǎn)液體或氣體用混合器（石油、采礦、廢水處理、油漆、化學(xué)品）；

與傳統(tǒng)機(jī)械式流量計(jì)相比較，超聲波傳感技術(shù)非常精確（<±1％），具有較長(zhǎng)使用壽命（> 10年），可以方便地檢測(cè)不同成分的液體或氣體，并調(diào)整介質(zhì)和管道腐蝕污染的影響。超聲波儀表沒(méi)有活動(dòng)部件，因此無(wú)需重新校準(zhǔn)。

據(jù)刁勇介紹，用于流量測(cè)量的超聲波頻率范圍為100kHz至4MHz。使用一定頻率的電脈沖信號(hào)激發(fā)超聲波傳感器從而產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，并使用同一聲波傳輸路徑從兩個(gè)對(duì)立的方向在不同時(shí)段發(fā)射聲波并測(cè)量聲波傳輸時(shí)間TOF（記為上行傳輸時(shí)間和下行傳輸時(shí)間, Time of flight）。通過(guò)計(jì)算上下行傳輸時(shí)間的絕對(duì)時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際流量。

安裝在流管內(nèi)部或外部的一對(duì)或多對(duì)超聲波傳感器可以用來(lái)測(cè)量TOF。超聲波傳感器的選擇取決于待測(cè)流體的介質(zhì)類型。通常，待測(cè)流體為液體時(shí)使用頻率大于等于1MHz的超聲波傳感器，待測(cè)流體為氣體時(shí)使用頻率小于等于500kHz的超聲波傳感器。

超聲波測(cè)量原理和常見(jiàn)的超聲波傳感器布置拓?fù)?/strong>

刁勇表示，超聲波測(cè)量水的計(jì)量方式有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是精度高，可以達(dá)到±1%的精度。特別是在小流量的情況下，傳統(tǒng)機(jī)械表可能已經(jīng)沒(méi)有辦法計(jì)量，但超聲波的計(jì)量方式依然可以工作。

第二個(gè)優(yōu)勢(shì)，和傳統(tǒng)機(jī)械表相比，超聲波是全電子的水表，在它里面沒(méi)有機(jī)械葉輪，沒(méi)有機(jī)械磨損，所以它的壽命非常長(zhǎng)。壽命長(zhǎng)，對(duì)水務(wù)公司來(lái)講有一個(gè)好處，維護(hù)成本相對(duì)來(lái)講、人工成本會(huì)得到進(jìn)一步降低。因?yàn)槌暡ㄋ韮H僅從成本上來(lái)講，會(huì)比現(xiàn)在傳統(tǒng)的機(jī)械水表單體成本貴，但考慮到它的維護(hù)和壽命長(zhǎng)的話，總體對(duì)水務(wù)公司來(lái)講運(yùn)維成本會(huì)降低，這一點(diǎn)也是吸引現(xiàn)在的一些水公司希望轉(zhuǎn)到超聲波計(jì)量方面的很重要的因素。

智能化水表的全集成超聲波傳感MCU

針對(duì)智能水表技術(shù)發(fā)展方向和市場(chǎng)需求，德州儀器推出了全新的超聲波測(cè)量芯片MSP430FR6047解決方案和可部署在傳統(tǒng)水表的上無(wú)線通訊解決方案。

據(jù)刁勇介紹，一方面該公司推出了基于MSP430能夠把水計(jì)量精度提高到業(yè)界最高水準(zhǔn)的超聲波技術(shù)方案。另一方面針對(duì)現(xiàn)有的水表基礎(chǔ)設(shè)施，也有新的參考設(shè)計(jì)用來(lái)增加自動(dòng)抄表或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水網(wǎng)運(yùn)行狀況的通信功能。

這顆超聲波測(cè)量芯片采用了獨(dú)特的高速ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)量的新技術(shù)，它在精確度和準(zhǔn)確度方面都有大大的提高。在功耗方面它傳承了MSP430在低功耗上的DNA，它在每秒測(cè)量一次的情況下，功耗可以做到3μA的水平，它還可以實(shí)現(xiàn)非常低流量的檢測(cè)，每小時(shí)一升，水基本上在滴漏，一滴滴的情況下，還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量，而且精度也可以做得非常不錯(cuò)。

為了讓客戶在使用這個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候能夠非常方便，德州儀器還提供相關(guān)的幫助客戶去開(kāi)發(fā)的軟件和硬件工具。在這一名為“超聲波設(shè)計(jì)中心”里，把所有的客戶需要去做配置，需要做調(diào)試的功能都集成在這上面了。這個(gè)設(shè)計(jì)中心可以實(shí)現(xiàn)IDC波形采用，可以把超聲波的波形捕捉下來(lái)。

另外，德州儀器還準(zhǔn)備了一個(gè)基礎(chǔ)的超聲波測(cè)量軟件庫(kù)，這個(gè)庫(kù)對(duì)客戶來(lái)講不用去從頭開(kāi)發(fā)，它只要在“超聲波設(shè)計(jì)中心”里，把它的超聲波的頻率和它需要的各種各樣的幻燈器做進(jìn)去一配置，實(shí)際上這個(gè)超聲波設(shè)計(jì)中心就可以幫客戶自動(dòng)產(chǎn)生計(jì)量的代碼。

刁勇繼續(xù)介紹道，為了配合這種需求，德州儀器還準(zhǔn)備了一款基于FR6047的開(kāi)發(fā)板。這個(gè)開(kāi)發(fā)板可以直接跟客戶自己選擇的超聲波接口的換能器進(jìn)行連接，連接上之后，和它的水表管端連上后就可以工作了。在這個(gè)板子上，可以擴(kuò)展很多新的功能，包括溫度測(cè)量或者增加無(wú)線通信的功能。在這個(gè)板子上，在這個(gè)部分它就是一個(gè)換能器，客戶不用買額外的單片機(jī)的換能器了，實(shí)際上就可以通過(guò)這個(gè)傳感器對(duì)MSP430FR6047進(jìn)行編程和二次開(kāi)發(fā)。

給傳統(tǒng)水表添上無(wú)線通信功能

針對(duì)一些表廠希望對(duì)現(xiàn)在的水表增加通信功能這一需求，德州儀器推出了兩個(gè)新的參考設(shè)計(jì)方案。

據(jù)刁勇介紹，第一個(gè)是用LC傳感器，以電感作為傳感，就是現(xiàn)在這種無(wú)磁水表，我們用到CC1350無(wú)線MCU，在它的片上會(huì)帶無(wú)線、帶MCU，還有我們叫做SCE傳感器控制引擎，用來(lái)做傳感器控制的一個(gè)模塊。這個(gè)芯片是用來(lái)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)磁水表的計(jì)量。另外它還支持2.4G和Sub-1  GHz的無(wú)線通信，它在測(cè)量的時(shí)候，做無(wú)磁水表測(cè)量的時(shí)候功耗只有4μA。

第二個(gè)是支持無(wú)線M-Bus的方案。無(wú)線M-Bus，在歐洲用得會(huì)比較多的一種無(wú)線抄表方式，在歐洲很多國(guó)家已經(jīng)在采用，現(xiàn)在在歐洲也有專門針對(duì)M-Bus的標(biāo)準(zhǔn)。在中國(guó)有很多的表廠也做一些出口市場(chǎng)，雖然在中國(guó)水表用M-Bus比較少，但是在中國(guó)很多表廠也在考慮做M-Bus無(wú)線通信技術(shù)，它的主要市場(chǎng)會(huì)出口到歐洲或者其他一些水廠需要M-Bus。

無(wú)線M-Bus參考方案運(yùn)行在在德州儀器的CC1310芯片上，它是Sub-1  GHz帶cortex  MCU的一個(gè)SOC，它可以支持M-Bus的協(xié)議站。CC1310在868MHz頻段內(nèi)可以支持M-Bus所有的模式，功耗也可以做得非常的優(yōu)秀。