編者按：權(quán)威數(shù)據(jù)表明，因為整個水測量系統(tǒng)和計量系統(tǒng)不完整或準(zhǔn)確度不高，導(dǎo)致管網(wǎng)損失，從自來水公司出來再分布到各個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)計劃在更新水務(wù)計量的基礎(chǔ)設(shè)施。通過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，能夠提高運營效率和減少管網(wǎng)水的損失。

有個市場分析報告指出，整個水表智能化市場潛力非常巨大，智能水表的市場規(guī)模將從2016年的26億美元規(guī)模增長到2025年的72億美元。

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

針對基礎(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，增加自動抄表或?qū)崟r監(jiān)測水網(wǎng)運行狀況的通信功能，這樣可以把水表的實時動態(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，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代推向智能化時代。

使用超聲波技術(shù)進(jìn)行流量計量

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)和汽車市場的自動化中。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)儀表中的簡易功用表（氣表、水表、熱量計）或危險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)械式流量計相比較，超聲波傳感技術(shù)非常精確（<±1％），具有較長使用壽命（> 10年），可以方便地檢測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。超聲波儀表沒有活動部件，因此無需重新校準(zhǔn)。

據(jù)刁勇介紹，用于流量測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對立的方向在不同時段發(fā)射聲波并測量聲波傳輸時間TOF（記為上行傳輸時間和下行傳輸時間, Time of flight）。通過計算上下行傳輸時間的絕對時間差，進(jìn)而計算出實際流量。

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

超聲波測量原理和常見的超聲波傳感器布置拓?fù)?/strong>

刁勇表示，超聲波測量水的計量方式有非常明顯的優(yōu)勢，第一個優(yōu)勢是精度高，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)沒有辦法計量，但超聲波的計量方式依然可以工作。

第二個優(yōu)勢，和傳統(tǒng)機(jī)械表相比，超聲波是全電子的水表，在它里面沒有機(jī)械葉輪，沒有機(jī)械磨損，所以它的壽命非常長。壽命長，對水務(wù)公司來講有一個好處，維護(hù)成本相對來講、人工成本會得到進(jìn)一步降低。因為超聲波水表僅僅從成本上來講，會比現(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)和壽命長的話，總體對水務(wù)公司來講運維成本會降低，這一點也是吸引現(xiàn)在的一些水公司希望轉(zhuǎn)到超聲波計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

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

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。另一方面針對現(xiàn)有的水表基礎(chǔ)設(shè)施，也有新的參考設(shè)計用來增加自動抄表或?qū)崟r監(jiān)測水網(wǎng)運行狀況的通信功能。

這顆超聲波測量芯片采用了獨特的高速ADC來實現(xiàn)超聲波測量的新技術(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，它在每秒測量一次的情況下，功耗可以做到3μA的水平，它還可以實現(xiàn)非常低流量的檢測，每小時一升，水基本上在滴漏，一滴滴的情況下，還可以實現(xiàn)計量，而且精度也可以做得非常不錯。

為了讓客戶在使用這個產(chǎn)品的時候能夠非常方便，德州儀器還提供相關(guān)的幫助客戶去開發(fā)的軟件和硬件工具。在這一名為“超聲波設(shè)計中心”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。這個設(shè)計中心可以實現(xiàn)IDC波形采用，可以把超聲波的波形捕捉下來。

另外，德州儀器還準(zhǔn)備了一個基礎(chǔ)的超聲波測量軟件庫，這個庫對客戶來講不用去從頭開發(fā)，它只要在“超聲波設(shè)計中心”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，實際上這個超聲波設(shè)計中心就可以幫客戶自動產(chǎn)生計量的代碼。

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的開發(fā)板。這個開發(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。在這個板子上，可以擴(kuò)展很多新的功能，包括溫度測量或者增加無線通信的功能。在這個板子上，在這個部分它就是一個換能器，客戶不用買額外的單片機(jī)的換能器了，實際上就可以通過這個傳感器對MSP430FR6047進(jìn)行編程和二次開發(fā)。

給傳統(tǒng)水表添上無線通信功能

針對一些表廠希望對現(xiàn)在的水表增加通信功能這一需求，德州儀器推出了兩個新的參考設(shè)計方案。

據(jù)刁勇介紹，第一個是用LC傳感器，以電感作為傳感，就是現(xiàn)在這種無磁水表，我們用到CC1350無線MCU，在它的片上會帶無線、帶MCU，還有我們叫做SCE傳感器控制引擎，用來做傳感器控制的一個模塊。這個芯片是用來可以實現(xiàn)無磁水表的計量。另外它還支持2.4G和Sub-1  GHz的無線通信，它在測量的時候，做無磁水表測量的時候功耗只有4μA。

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

無線M-Bus參考方案運行在在德州儀器的CC1310芯片上，它是Sub-1  GHz帶cortex  MCU的一個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。