水表/超聲水表市場(chǎng)涌現，TI用MCU和無(wú)線(xiàn)厲兵秣馬

　　水表市場(chǎng)：十年將增長(cháng)2.7倍

　　繼前一二十年的電表熱之后，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的興起，水表也在改頭換面，成為新的熱潮。據統計，全球目前共部署了約15億塊水表。全球智能水網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)的營(yíng)收將從2016年的26億美元增長(cháng)到2025年的72億美元。僅在美國市場(chǎng)，超過(guò)80%的美國供應商以投資或計劃投資智能水表的基礎設施，以提高運營(yíng)效率并減少水損失。

　　圖：傳統機械水表目前占據大部分市場(chǎng)

　　水表市場(chǎng)的痛點(diǎn)是：由于不適當和不準確的感測和測量，水務(wù)公司配送的供水損失高達30%。另外與同樣龐大的電表市場(chǎng)不同，水務(wù)公司通常是本地化的，規模較小、數量較多，為了降低成本，他們十分迫切需要依靠AMR(自動(dòng)儀表讀數)降低運營(yíng)成本。不過(guò)，與完成智能電表安裝相比，AMR模塊的部署成本更低，因此基于標準的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )/物聯(lián)網(wǎng)可輕松實(shí)現網(wǎng)絡(luò )運行，降低成本。

　　圖：超聲波電子式水表(圖片來(lái)源：TI公司)

　　超聲波水表的研發(fā)新開(kāi)工項目增長(cháng)快

　　而目前大部分水表是機械表，電子式正有取代機械表的趨勢。

　　電子式分兩類(lèi)。一種嚴格地稱(chēng)是半機械式，即機械表的活動(dòng)部件會(huì )使用機械感測，例如使用電感電容器(LC)、巨磁電阻(GMR)、隧道式磁阻(TMR)或霍爾效應傳感器捕獲螺旋槳或葉輪的運動(dòng)，然后轉換成數據并傳遞給測量單元。由于有活動(dòng)部件，所以可能會(huì )出現磨損和不準確的情況。因此這些儀表的壽命普遍較短(不到7年)，并且不能檢測到低流量或小泄漏。同時(shí)會(huì )有污染、污垢積聚及部件老化也會(huì )影響測量精度，因此需要定期校準。

　　純電子式的往往是超聲波傳感器。目前盡管市場(chǎng)出貨量還不大，但是新開(kāi)工的項目中此方案較多。因為該方法避免了上述幾個(gè)問(wèn)題，實(shí)現了1%的精度，具有較長(cháng)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(zhì)和管道腐蝕污染的影響，另外由于沒(méi)有活動(dòng)部件，無(wú)需重新校準。不過(guò)，相比半機械式，超聲波方案的成本較高。

　　TI帶來(lái)針對超聲波水表檢測的首款MCU

　　近日TI在京召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì )，宣布推出更精確的智能水表單芯片超聲波感應微控制器(MCU)——MSP430FR6047。特點(diǎn)是來(lái)自TI的超低功耗MSP430家族，帶有集成超聲波感應模擬前端，能夠提高智能水表的精度并降低其能耗。

　　具體地，新型MSP430FR6047 MCU系列使開(kāi)發(fā)人員能夠利用完整的波形捕獲功能和基于模數轉換器(ADC)的信號處理，為流量計增加更多智能特性。相較于競爭對手的器件，這種技術(shù)可以更準確地進(jìn)行測量，零漂平均值為25皮秒或更低，標準差為32皮秒或更低，因此可以檢測到低于1升/小時(shí)的流速。此外，集成的MSP430FR6047器件可以將水表系統組件數量減少50%，功耗降低25%，在不為電池充電的情況下，水表能夠運行10年或更長(cháng)時(shí)間。新型MCU還集成了一個(gè)用于高級信號處理的低能量加速器模塊、256 KB的鐵電隨機存取存儲器(FRAM)、液晶顯示器(LCD)驅動(dòng)器和計量測試接口。

　　TI中國區MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇先生稱(chēng)，MSP430FR6047是TI第一款超聲波檢測芯片，特點(diǎn)是MCU資源十分豐富，一顆芯片就足夠了，而且超低功耗(約3uA)，實(shí)現滴漏測量。

　　具體地，友商產(chǎn)品往往是用一顆芯片專(zhuān)門(mén)做超聲波計量，TI把它集成進(jìn)來(lái)，即把DSP模塊(LEA)加進(jìn)來(lái)。超聲波測量的關(guān)鍵點(diǎn)是飛行時(shí)間(TOF)測量，即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(lái)測量TOF，而水管粗細并不重要。因此難點(diǎn)是在算得準的情況下實(shí)現功耗低，這就要求算得快，普通MCU算得沒(méi)那么快，因而功耗居高不下，FR6047芯片集成了低功耗加速器(LEA)，比Cortex-M0核快40倍。另外值得稱(chēng)道的是FRAM，采用了TI最大容量256KB，因此存儲資源豐富。而友商的一顆MCU資源有時(shí)只有幾十KB、并缺少液晶顯示器(LCD)驅動(dòng)器和計量測試等接口，因此需要多顆MCU實(shí)現。

　　FR6047芯片小批量時(shí)9.99美元，這個(gè)價(jià)格是否有些高?實(shí)際上，這是在批量1K以下。其實(shí)價(jià)格是比較合理的，因為通常一個(gè)模擬前端方案成本就已達3美元。

　　TI的水表及流量表

　　為何TI還推出名為“MSP430超聲波感應設計中心”的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統?因為超聲波設計很復雜，各自來(lái)水公司的要求不同，因此TI提供相應的軟件和工具，使開(kāi)發(fā)人員可幾個(gè)月內產(chǎn)品上市。

　　實(shí)際上，TI有完整的水表產(chǎn)品線(xiàn)，涵蓋半機械式到全電子式。并且也可以做其他測量，諸如氣體，但是氣體密度低，測量難度加大。

　　上文說(shuō)到MSP430FR6047是超聲波計量家族的第一款產(chǎn)品，那么今后的產(chǎn)品路線(xiàn)圖如何?刁勇先生透露，下一代新產(chǎn)品將是提高ADC精度，以便測量氣體;另外還可能把FRAM容量做得小一些，以降低成本。

　　此次發(fā)布會(huì )上，TI還推出兩款新型參考設計，使客戶(hù)可以更輕松地設計模塊，并為現有機械水表新增自動(dòng)抄表功能(AMR)。

　　1. 具有感應傳感能力的新型低功耗水流測量參考設計是一種緊湊的解決方案，用于對低功耗機械流量計進(jìn)行電能測量，延長(cháng)電池壽命。由單芯片SimpleLink?雙頻帶CC1350無(wú)線(xiàn)MCU啟用，該參考設計還能夠使設計人員為AMR網(wǎng)絡(luò )添加雙頻無(wú)線(xiàn)通信。

　　2. 第二個(gè)新型參考設計是基于SimpleLink? Sub-1 GHz CC1310無(wú)線(xiàn)MCU的超低功耗解決方案。低功耗無(wú)線(xiàn)M-Bus通信模塊參考設計采用TI的無(wú)線(xiàn)M-Bus軟件堆棧，并支持868 MHz頻段內的所有無(wú)線(xiàn)M-Bus操作模式。該參考設計可提供一流的功耗和靈活性，支持跨多個(gè)地區的無(wú)線(xiàn)M-Bus部署。

　　小結

　　水表市場(chǎng)正在興起，半機械式/螺旋槳或葉輪式成本較低;超聲波測量法成本較高，但精度高。此外AMR也需要更多的無(wú)線(xiàn)通信能力。TI厲兵秣馬，已備好各種方案。