智能水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)對用水量進(jìn)行計量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能，與傳統(tǒng)水表相比，智能水表作為智能化聯(lián)網(wǎng)工具，是對傳統(tǒng)水表的升級，依靠Nb-loT、LoRa等通信技術(shù)連接和組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了高效智能化的管理。

華大電子以Arm 32位為內(nèi)核的系列安全MCU產(chǎn)品，可同時滿足智能水表的聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和多種現(xiàn)代傳感技術(shù)要求。產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智能水表、便攜醫(yī)療、智能門鎖及其他電池供電的低功耗場景。

華大電子面向智能水表的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)功能，設(shè)計開發(fā)了基于CIU32L041超低功耗安全MCU的智能水表解決方案。

方案介紹

智能水表解決方案硬件原理框圖如下：

圖1 智能水表解決方案硬件框圖

圖2 超聲波計量方式智能水表解決方案硬件

以上圖為例，超聲波計量方式的智能水表解決方案硬件主要由控制主板、超聲波計量板、換能器管道、電池組和閥門電機(jī)五部分組成。

圖3 控制主板硬件

除了超聲波計量方式，智能水表控制主板還可兼容多種現(xiàn)代傳感計量方式，如圖2所示的各種傳感器接口包括：霍爾、無磁、光電直讀等計量傳感接口。

控制主板上配置有NB-IOT模塊用于與總站后臺進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

遠(yuǎn)程通信流程如下：

圖4 遠(yuǎn)程抄表信息交互流程

水表通過CIU32L041安全MCU內(nèi)部實(shí)時時鐘RTC定時喚醒，每日定時與水務(wù)公司后臺總站進(jìn)行信息交互，同步表信息，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、充值及查詢功能。

方案特點(diǎn)

•  支持霍爾、無磁、光電直讀和超聲波四種流量計量方式，其中超聲波傳感器可通過LPUART喚醒MCU，波特率可達(dá)9600bps

•  整機(jī)待機(jī)，維持LCD顯示，工作電流平均可低至10uA

•  NB-IOT通訊，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、充值

•  低功耗模式下實(shí)時監(jiān)測電池電量，低電量自動關(guān)閥

•  VBAT模式下RTC走時與備份寄存器保持，可采用紐扣電池供電，省去小鋰電池用作備用電源的成本

CIU32L041 安全MCU

智能水表解決方案主控芯片為華大電子CIU32L041，基于Arm內(nèi)核，最高頻率可達(dá)48MHz。該產(chǎn)品具有超低功耗、高集成度、高可靠性、高安全的特點(diǎn)。內(nèi)部集成LCD、ADC、VREFBUF、低功耗COMP、多種定時器、多個USART/I2C/SPI 等豐富的外設(shè)資源，支持SM4 安全加密算法。

產(chǎn)品特點(diǎn)

•  VBAT備份電源自動切換，VBAT模式+RTC+備份寄存器的功耗低至1μA，降低備份電源的電池容量需求，節(jié)約電池成本

•  多達(dá)56個fast IO，防倒灌且兼容5V通信，其中高驅(qū)IO可達(dá)20mA

•  最大支持8COM x 32SEG LCD控制器

– 片內(nèi)電阻分壓，高低驅(qū)可動態(tài)切換，低功耗下提升顯示效果，免外部電容

– 內(nèi)置電荷泵，VLCD電壓可高于VDD且不隨VDD變化，即使VDD抖動依舊保持良好顯示效果

•  內(nèi)部高精度高速時鐘，全溫度變化小于±2%，免外部晶體

•  12位1.14 Msps高精度ADC，可測量高輸出阻抗信號

•  內(nèi)部參考電壓源VREFBUF，為ADC提供參考電壓，支持2.048V、2.5V，可通過IO輸出

•  RTC校準(zhǔn)精度±0.477ppm，支持鬧鐘、時間戳、微秒級單位的喚醒定時器，支持溫度補(bǔ)償