編者按：權威數據表明，因為整個水測量系統和計量系統不完整或準確度不高，導致管網損失，從自來水公司出來再分布到各個用戶的家庭水損失高達30%，其中核心原因是由傳統機械水表造成的，如何更新升級機械水表使之更智能化成為水務公司當前迫切的需求。日前，德州儀器公司推出了業界最先進的智能水表技術解決方案，希望可以加速水表智能化的進程，德州儀器中國區MSP微控制器業務拓展經理刁勇先生接受了筆者的專訪。
德州儀器中國區MSP微控制器業務拓展經理刁勇
水表從信息化走向更加智能化
有數據顯示，在美國有80%的水務公司已經在投入或者有一些公司已經計劃在更新水務計量的基礎設施。通過給水表加裝信息模塊或更換先進的電子水表等基礎設施的更新，能夠提高運營效率和減少管網水的損失。
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，智能水表的市場規模將從2016年的26億美元規模增長到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在中國，而這一趨勢的背后是對新型技術與半導體產品的新需求。
針對基礎設施的智能化改造，基于成本的考慮水務公司正在采取兩種方式實施。
第一種方式是在傳統機械水表上加裝信息通訊模塊，增加自動抄表或實時監測水網運行狀況的通信功能，這樣可以把水表的實時動態數據上傳至系統管理中心。
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，超聲波水表還能夠實現各種水質或者水成分的檢測，它能夠給水務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。
使用超聲波技術進行流量計量
超聲波技術已在民用、醫療和軍事應用中有上百年的歷史，最新的超聲波應用已發展到工業和汽車市場的自動化中。超聲波技術的非接觸性質使其成為水務、醫療、制藥、軍事和工廠等液體流量計量的絕佳選擇，其操作環境也大大超出人們所了解的范圍。
基于超聲波技術的液體流量計可用于住宅和工業環境中，包括住宅和工業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、化學品）；
與傳統機械式流量計相比較，超聲波傳感技術非常精確（<±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，并調整介質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。
據刁勇介紹，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超聲波傳感器從而產生相應頻率的超聲波，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，進而計算出實際流量。
安裝在流管內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撲
刁勇表示，超聲波測量水的計量方式有非常明顯的優勢，第一個優勢是精度高，可以達到±1%的精度。特別是在小流量的情況下，傳統機械表可能已經沒有辦法計量，但超聲波的計量方式依然可以工作。
第二個優勢，和傳統機械表相比，超聲波是全電子的水表，在它里面沒有機械葉輪，沒有機械磨損，所以它的壽命非常長。壽命長，對水務公司來講有一個好處，維護成本相對來講、人工成本會得到進一步降低。因為超聲波水表僅僅從成本上來講，會比現在傳統的機械水表單體成本貴，但考慮到它的維護和壽命長的話，總體對水務公司來講運維成本會降低，這一點也是吸引現在的一些水公司希望轉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
針對智能水表技術發展方向和市場需求，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水表的上無線通訊解決方案。
據刁勇介紹，一方面該公司推出了基于MSP430能夠把水計量精度提高到業界最高水準的超聲波技術方案。另一方面針對現有的水表基礎設施，也有新的參考設計用來增加自動抄表或實時監測水網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來實現超聲波測量的新技術，它在精確度和準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品的時候能夠非常方便，德州儀器還提供相關的幫助客戶去開發的軟件和硬件工具。在這一名為“超聲波設計中心”里，把所有的客戶需要去做配置，需要做調試的功能都集成在這上面了。這個設計中心可以實現IDC波形采用，可以把超聲波的波形捕捉下來。
另外，德州儀器還準備了一個基礎的超聲波測量軟件庫，這個庫對客戶來講不用去從頭開發，它只要在“超聲波設計中心”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去一配置，實際上這個超聲波設計中心就可以幫客戶自動產生計量的代碼。
刁勇繼續介紹道，為了配合這種需求，德州儀器還準備了一款基于FR6047的開發板。這個開發板可以直接跟客戶自己選擇的超聲波接口的換能器進行連接，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的換能器了，實際上就可以通過這個傳感器對MSP430FR6047進行編程和二次開發。
給傳統水表添上無線通信功能
針對一些表廠希望對現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計方案。
據刁勇介紹，第一個是用LC傳感器，以電感作為傳感，就是現在這種無磁水表，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在采用，現在在歐洲也有專門針對M-Bus的標準。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，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的協議站。CC1310在868MHz頻段內可以支持M-Bus所有的模式，功耗也可以做得非常的優秀。