一种用于超声波水表的窄带NB-IOT通讯模组及其使用方法与流程

本发明涉及一种超声波水表模组，特别是涉及一种用于超声波水表的窄带nb-iot通讯模组及其使用方法。

背景技术：

nb-iot是2015年9月在3gpp标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信lpwan技术，并于2017年推出商用nb模组。传统的物联网传输采用2g网的gprs技术，其发射功率大，功耗大，且链路运算不够高导致其覆盖面积窄，成本高，而nb-iot技术能够支持海量连接，有深度覆盖能力且功耗低，因此更适用于使用锂电池供电的超声波水表。

目前国内外对nb-iot模块的使用与传统2g网的gprs通讯模块的使用方式相同，只是将nb-iot模块来当做通讯部件来使用，目前的nb超声波水表构成是由，mcu微功耗处理器，超声波时差计量模块，液晶显示器，nb调制解调器模组等，构成nb超声波水表控制板；再加上换能器，管段，外壳等构成nb超声波水表。这种方式需要超声波水表的控制主板上具有一个mcu来实现超声波流量检测功能、红外通讯功能、按键响应功能、计量计费功能、防窃用功能、逆流检测功能、电池电压检测功能、数据存储功能及数据加密功能等，再加上一个nb调制解调器模组。目前的这种方案，较难以满足运行通讯十年的技术要求，会带来成本高、结构复杂、功耗大等问题。为了满足功耗小，成本低的市场需求，需要提供一种将超声波水表功能内置于nb-iot通讯模组集成的实现超声波水表和nb通讯一体化的新型nb-iot超声波水表专用模组。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种利用nb-iot调制解调器内部的多个arm构成的mcu中的一个arm定义为超声波水表arm（mcu），将超声波流量检测模块、红外通讯模块、按键处理模块、水计量与计费功能模块、逆流检测功能模块、电压检测功能模块、温度检测模块，液晶显示功能模块，数据存储功能模块、数据通信功能模块，阀门控制模块，防窃用功能模块，等功能模块，全部嵌入nb-iot调制解调芯片中的一个arm核中与nb芯片集成在一起；这样n b物联网超声波水表看来就像一个独立的超声波水表mcu一样，实现超声波水表全部功能，并且能够完成nb-iot通讯功能，超声波水表专用nb-iot通讯模组无需在nb-iot通讯模组外附其他mcu，本发明解决了现在超声波水表控制板与nb-iot通讯模组构成的物联网超声波水表，成本高、体积大，结构复杂、抗干扰能力差、功耗大，电池成本高等问题。

一种用于超声波水表的窄带nb-iot通讯模组及其使用方法，包括:实现nb通讯功能的信号功率放大电路、滤波器、双工开关、nb-iot调制解调器、sim卡接口模块、实现超声波水表功能的数据存储功能模块、液晶显示控制模块、按键输入功能模块、电池电量检测功能模块、超声波流量检测功能模块、红外通讯接口功能模块、阀门控制模块、可拓展接口功能模块、逆流检测功能模块、阶梯水价计费功能模块、数据安全加密解密功能模块等上述所有功能模块嵌入nb芯片的一个arm中。

本发明的特征在于超声波水表mcu是由nb-iot调制解调器的内部的一个arm核及程序存储器、存储器数组i/o接口等资源构成；

本发明的特征在于，此超声波水表窄带nb-iot通讯模组的超声波水表的全部功能：液晶显示功能，超声时差测量模块功能，温度采集功能，红外通讯功能，按键响应功能等的全部功能都由nb调制解调器内分配的arm上的芯片内资源来实现；

根据前述特征所述，本发明的特征在于，超声波水表红外通讯接口功能由nb-iot调制解调器芯片中分配的arm的数据接口及芯片上内嵌的红外通讯协议及程序功能模块来完成，上述功能除红外接收发射管外，红外通讯控制与数据传输功能，由调制解调器芯片的arm内资源实现；

本发明的特征在于，电压电量检测功能由nb调制解调器芯片中分配的arm的一个数据接口配合电压检测器及电压过低处理程序构成，实现电压检测功能及电池电压掉电处理功能；除电压检测器外，电圧检测功能也可以由nb制解调器芯片上的一个arm的a/d接口及电压检测程序完成，上述功能由调制解调器芯片arm内资源实现；

本发明的特征在于，nb-iot超声波水表的超声时差检测模块的数据接口，控制接口与nb调制解调器芯片内分配的arm定义的i/o接口相连，由超声波流量检测模块及内嵌的处理程序，实现采集用户用水计量、流速监测以及逆流检测功能；超声波时差检测模块功能完全由nb调制解调器芯片arm内嵌程序控制实现；

本发明的特征在于ｎｂ调制解调器超声波水表专用模组的液晶显示功能，由ｎｂ调制解调器芯片分配的ａｒｍ中内嵌的液晶显示驱动程序，液晶驱动接口及与之相连的液晶驱动器，液晶显示器，实现液晶数据显示功能，用于显示、流速、流量、温度等数据；液晶显示模块功能实现完全由nb调制解调器芯片内嵌程序控制；

本发明的特征在于，定义的超声波水表arm核存储器存储的超小流检测处理程序根据自来水通过超声波流量计量模块判断后来实现防窃功能；

本发明的特征在于，nb超声波水表的阀门驱动功能，由nb调制解调器芯片分配的arm定义的两个接口与阀门驱动器器相连，由arm中内嵌的阀门驱动程序和后台传来的指令控制超声波水表的阀门开关，上述功能除阀门驱动器与阀门外，全部由nb调制解调器芯片分配的arm芯片上资源实现；

本发明的特征在于，定义的超声波水表ａｒｍ的一个io接口及按键响应处理程序实现对超声波水表工作模式的切换及液晶的轮显切换功能；

本发明的特征还在于，超声波水表arm核中的程序存储器的数据处理传输程序，将累计用水数据，用水流量数据，计量计费数据，阶梯用量阶梯价格数据，预费金额，电池容量数据，nb信号强度数据，超小流状态、水流方向及温度等数据通过数据安全加密解密功能模块对数据进行加密，打包，通过nb调制解调器，按照nb协议进行无线信号调制由功放天线，将数据线无线网络传输到后台，实现表具数据传输功能；

本发明的特征还在于数据安全加密解密功能模块的加密机制有别于nb调制解调器的数据空口加密安全机制,而是按超声波水表通讯协议进行加密，该项功能由数据加密算法实现，存储在定义的超声波水表arm中；

本发明的特征还在于定义的超声波水表arm核中的存储器存储的数据接收处理程序将nb调制解调器从天线接收的无线网络发来的无线信号进行解调的数据进行解密，解析，实现双向数据通讯及对定义的超声波水表arm进行控制，完成超声波水表的各项通讯功能；

模块上电后由nb-iot芯片上的arm芯片完成nb调制解调器的初始化，处于nb调制解调器的就绪状态，并且模块上电后定义超声波水表arm首先执行初始化程序，分别包括超声波水表流量检测模块初始化，数据存储功能模块初始化、电池电量检测功能模块初始化，红外通讯模块初始化，液晶显示部分初始化，按键处理模块初始化；

初始化程序执行完毕后执行系统时钟配置程序，经过系统时钟配置完成内部需要时钟功能、端口初始化完成各个功能所需端口配置、看门狗定时器定时设置、外部存储器初始化及读取参数；之后单片机进入开启全局中断低功耗状态等待中断唤醒，程序进入到事件数组判断循环中，当发生中断时程序跳出循环进入中断判断程序，做出判断后程序会根据中断的具体内容分别对按键触发、红外通讯响应、数据上传、欠压报警、窃用报警、超小流报警、逆流报警等功能的事件标志位进行更改，更改之后跳出中断根据标志位进行相关的事件操作；单片机被中断唤醒时首先判断中断类型，如果是外部中断再通过判断具体哪个端口引发中断，来设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能；通过外部中断触发的功能主要有电池电量检测功能、按键响应功能、红外通讯响应功能；当程序发生定时器中断时，会根据一定时间间隔来执行相关功能，比较中断时刻的时间是否与预设功能时间相同，如果相同则设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能；当时间达到预设的流量采集时间时，通过nb-iot内部的超声波水表arm控制超声波流量检测模块进行流量的采集计算；其中流速监测主要由nb-iot模块内部定义的超声波水表arm来控制超声波流量检测模块驱动管段上下两个超声波换能器，得到两个方向的飞行时间，然后通过nb-iot模块内部定义的超声波水表arm来进行瞬时流量及累计量的计算，接下来通过nb-iot内部分配的超声波水表arm定时对温度的采集计算进行补偿，对流量值进行修正，实现流体流量的高精度计量；当时间达到预设的上传时间时，nb-iot调制解调器上电，并执行初始化程序，超声波水表arm核会根据通讯协议通过nb调制解调器上传一条数据给云端后台；包括超声波ｎｂ水表所在位置的ｎｂ基站的信号强度也发送到后台；如果程序检测出欠压、逆流等异常现象，程序会进行报警并通过nb-iot调制解调模块上传一条数据提醒使用者；同时在定时器中断中每隔一段时间系统会进行一次系统内部状态诊断，判断各个功能单元是否正常启动，各个拓展口是否被应用；如果有某些功能单元出现异常，超声波水表arm核会根据通讯协议通过nb调制解调器上传一条数据给云端后台通知相关人员进行维修操作；如果各功能单元正常启动则模块进入休眠状态并开启定时器，当模块侦听到nb基站发送来的消息或者程序设定的唤醒时间到达时模块会被唤醒，当模组被唤醒后，各个工作单元开始工作，其中nb-iot解调模块对信号进行解调后通过串口线将数据传送给定义的超声波水表arm进行阀门控制，定义的超声波水表arm提取需要计算的数据传输给nb调制解调器的数据接口，将数据通过数据线发送给nb调制解调器，nb调制解调器将输出的信号经过滤波器双工开关天线等设备发送给上位机进行解析。

本发明的有益效果是：通过利用nb-iot调制解调器内部分配的一个arm核实现了对超声波水表的计量及通讯控制；本发明是一种将超声波水表流量测量、可拓展接口及程序、阀门控制模块、按键处理模块、液晶显示模块、红外通讯模块、阶梯水价计费模块、自来水使用安全超声波模块、自来水报警器信息处理模块、逆流报警模块组成、数据通讯协议模块及程序与nb-iot通讯功能集成到一个芯片的一体的超声波水表专用nb模组，具有原理清晰，使用方便，功耗低，体积小，可靠性较高，集成度高等优点；对以往的具有nb功能的物联网超声波水表实现了跨越式的改进，改善了原始模式的功耗大，体积大，成本高等问题。

附图说明

图1是普通ｎｂ超声波水表结构框图；

图2是本发明的结构框图；

图3是本发明的内部结构框图；

图4是本发明的程序流程图；

图1中：信号功率放大电路1、滤波器2、双工开关3、超声波水表arm4、数据存储功能模块5、电池电量检测功能模块6、nb-iot调制解调器7、sim卡接口模块8、超声波流量检测模块9、可拓展接口功能模块10、阶梯水价计费功能模块11、逆流检测功能模块12、按键响应功能模块13、天线14、电源15、阀门驱动电路16、阀门17、液晶数据显示功能模块18、数据安全加密解密功能模块19、窃用报警功能模块20、红外通讯功能模块21、超声波换能器22。

具体实施方式

本发明串口接收到的信号发送给nb-iot调制解调器7解调出数据，经nb-iot调制解调器7的数据接口发送给定义的超声波水表arm4，定义的超声波水表arm4收到数据后由数据安全加密解密功能模块19进行解密，然后按照数据指令和内容进行解析由各功能模块执行打包通讯协议等各项指令，当需要上传各项数据时由数据采集模块将数据发送给定义的超声波水表arm4，由数据处理程序将这些数据由nb-iot调制解调器7将编码、调制后的信号通过串口发送出去；定义的超声波水表arm4内置数据安全模块将数据通过定义的超声波水表arm4中的加密算法对数据进行加密运算，这样可以有效的保证数据的安全性，使用户的数据安全得到保障；定义的超声波水表arm4将处理解析加密后的数据发送给数据存储模块5进行存储操作；同时定义的超声波水表arm4还可用来控制各模块，阀门17驱动的操作等；同样定义的超声波水表arm4及加密程序将超声波水表中的数据进行加密，由定义的超声波水表arm4及数据接口传输给nb调制解调器数字接口，经调制后的信号经串口传送给云端后台，定义的超声波水表arm4中加入了计费计量程序、超声波流量测量程序，除此之外定义的超声波水表arm4还嵌入了控制领域常用算法；电池电量检测功能模块接口6及程序对电源电量进行检测，实现电池电量实时监控功能及电池电压掉电处理功能；液晶数据显示功能模块18及程序可实现用户用水数据信息、预付费信息、价格信息、超声波水表运行状态，表号、温度等信息的显示，可实现异常报警信息提示及显示功能；逆流检测功能模块12及程序可实现对超声波水表使用过程中的超小流的实时监控，当出现问题时可由nb模块发出无线信息，再由云端处理提出警示信息和推送到用户的移动客户端；窃用报警功能模块20及程序，可实现对水表包括但不限于强磁攻击、外力冲击、非常规手段开启水表壳体等过程的记录及报警并将数据发送给云端提示报警；超声波流量测量功能模块9接口及程序通过驱动模块驱动超声波换能器对信号进行采集，nb-iot内部分配的水表arm完成用水流量计量监测功能；阶梯水价计费功能模块11及程序对自来水使用价格实现阶梯计量收费，可实现按时间、按量等多组阶梯价格方案，可实现正阶梯及负阶梯；sim卡接口功能模块8及程序通过与nb模块对应的sim卡通讯脚连接达到对sim卡信息进行读写实现通信网络的注册与管理；按键响应功能模块13相应接口及处理程序可以通过按键进行水表工作状态的切换及液晶的轮显页面切换；红外通讯模块21定义的接口及对应处理程序实现对水表的修正等操作；可拓展接口功能模块10为以后新需求提供备用接口，可实现应用功能的扩展及技术方案的升级。

模块上电后由nb-iot芯片上的soc完成nb调制解调器的初始化，处于nb调制解调器的就绪状态，并且模块上电后定义超声波水表arm首先执行初始化程序，分别包括数据存储功能模块初始化、超声波流量测量模块初始化、电池电量检测功能模块初始化、ic卡读取功能模块初始化、按键处理模块初始化、红外通讯模块初始化、自来水使用安全监测功能模块初始化，自来水报警器接信息处理功能模块初始化，液晶模块初始化。

初始化程序执行完毕后执行系统时钟配置程序，经过系统时钟配置完成内部需要时钟功能、端口初始化完成各个功能所需端口配置、看门狗定时器定时设置、外部存储器初始化及读取参数；之后单片机进入开启全局中断低功耗状态等待中断唤醒，程序进入到事件数组判断循环中，当发生中断时程序跳出循环进入中断判断程序，做出判断后程序会根据中断的具体内容分别对按键触发、红外通讯响应、数据上传、欠压报警、窃用报警、超小流报警、逆流报警等功能的事件标志位进行更改，更改之后跳出中断根据标志位进行相关的事件操作；单片机被中断唤醒时首先判断中断类型，如果是外部中断再通过判断具体哪个端口引发中断，来设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能；通过外部中断触发的功能主要有电池电量检测功能、按键响应功能、红外通讯响应功能；当程序发生定时器中断时，会根据一定时间间隔来执行相关功能，比较中断时刻的时间是否与预设功能时间相同，如果相同则设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能；当时间达到预设的流量采集时间时，通过nb-iot内部的超声波水表arm控制超声波流量检测模块进行流量的采集计算；其中流速监测主要由nb-iot模块内部定义的超声波水表arm来控制超声波流量检测模块驱动管段上下两个超声波换能器，得到两个方向的飞行时间，然后通过nb-iot模块内部定义的超声波水表arm来进行瞬时流量及累计量的计算，接下来通过nb-iot内部分配的超声波水表arm定时对温度的采集计算进行补偿，对流量值进行修正，实现流体流量的高精度计量；当时间达到预设的上传时间时，nb-iot调制解调器上电，并执行初始化程序，超声波水表arm核会根据通讯协议通过nb调制解调器上传一条数据给云端后台；包括超声波ｎｂ水表所在位置的ｎｂ基站的信号强度也发送到后台；如果程序检测出欠压、逆流等异常现象，程序会进行报警并通过nb-iot调制解调模块上传一条数据提醒使用者；同时在定时器中断中每隔一段时间系统会进行一次系统内部状态诊断，判断各个功能单元是否正常启动，各个拓展口是否被应用；如果有某些功能单元出现异常，超声波水表arm核会根据通讯协议通过nb调制解调器上传一条数据给云端后台通知相关人员进行维修操作；如果各功能单元正常启动则模块进入休眠状态并开启定时器，当模块侦听到nb基站发送来的消息或者程序设定的唤醒时间到达时模块会被唤醒，当模组被唤醒后，各个工作单元开始工作，其中nb-iot解调模块对信号进行解调后通过串口线将数据传送给定义的超声波水表arm进行阀门控制，定义的超声波水表arm提取需要计算的数据传输给nb调制解调器的数据接口，将数据通过数据线发送给nb调制解调器，nb调制解调器将输出的信号经过滤波器双工开关天线等设备发送给上位机进行解析。