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水表/超声水表市场涌现,TI用MCU和无线厉兵秣马
wangying | 2017-10-11 15:35:29    阅读:1253   发布文章

      水表市场:十年将增长2.7倍

继前一二十年的电表热之后,随着物联网的兴起,水表也在改头换面,成为新的热潮。据统计,全球目前共部署了约15亿块水表。全球智能水网络市场的营收将从2016年的26亿美元增长到2025年的72亿美元。仅在美国市场,超过80%的美国供应商以投资或计划投资智能水表的基础设施,以提高运营效率并减少水损失。


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图:传统机械水表目前占据大部分市场(图片来源:互联网)

 

水表市场的痛点是:由于不适当和不准确的感测和测量,水务公司配送的供水损失高达30%。另外与同样庞大的电表市场不同,水务公司通常是本地化的,规模较小、数量较多,为了降低成本,他们十分迫切需要依靠AMR(自动仪表读数)降低运营成本。不过,与完成智能电表安装相比,AMR模块的部署成本更低,因此基于标准的无线通信网络/物联网可轻松实现网络运行,降低成本。

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图:超声波电子式水表(图片来源:TI公司

 

超声波水表的研发新开工项目增长快

而目前大部分水表是机械表,电子式正有取代机械表的趋势。

 

电子式分两类。一种严格地称是半机械式,即机械表的活动部件会使用机械感测,例如使用电感电容器(LC)、巨磁电阻(GMR)、隧道式磁阻(TMR)或霍尔效应传感器捕获螺旋桨或叶轮的运动,然后转换成数据并传递给测量单元。由于有活动部件,所以可能会出现磨损和不准确的情况。因此这些仪表的寿命普遍较短(不到7年),并且不能检测到低流量或小泄漏。同时会有污染、污垢积聚及部件老化也会影响测量精度,因此需要定期校准。

 

纯电子式的往往是超声波传感器。目前尽管市场出货量还不大,但是新开工的项目中此方案较多。因为该方法避免了上述几个问题,实现了1%的精度,具有较长使用寿命(>10年),可以方便地检测不同成分的液体或气体,并调整介质和管道腐蚀污染的影响,另外由于没有活动部件,无需重新校准。不过,相比半机械式,超声波方案的成本较高。

 

    TI带来针对超声波水表检测的首款MCU 

近日TI在京召开新闻发布会,宣布推出更精确的智能水表单芯片超声波感应微控制器(MCU)——MSP430FR6047。特点是来自TI的超低功耗MSP430家族,带有集成超声波感应模拟前端,能够提高智能水表的精度并降低其能耗。


具体地,新型MSP430FR6047 MCU系列使开发人员能够利用完整的波形捕获功能和基于模数转换器(ADC)的信号处理,为流量计增加更多智能特性。相较于竞争对手的器件,这种技术可以更准确地进行测量,零漂平均值为25皮秒或更低,标准差为32皮秒或更低,因此可以检测到低于1升/小时的流速。此外,集成的MSP430FR6047器件可以将水表系统组件数量减少50%,功耗降低25%,在不为电池充电的情况下,水表能够运行10年或更长时间。新型MCU还集成了一个用于高级信号处理的低能量加速器模块、256 KB的铁电随机存取存储器(FRAM)、液晶显示器(LCD)驱动器和计量测试接口。


TI中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇先生称,MSP430FR6047是TI第一款超声波检测芯片,特点是MCU资源十分丰富,一颗芯片就足够了,而且超低功耗(约3uA),实现滴漏测量。

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具体地,友商产品往往是用一颗芯片专门做超声波计量,TI把它集成进来,即把DSP模块(LEA)加进来。超声波测量的关键点是飞行时间(TOF)测量,即安装在流管内部或外部的一对或多对超声波传感器可以用来测量TOF,而水管粗细并不重要。因此难点是在算得准的情况下实现功耗低,这就要求算得快,普通MCU算得没那么快,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。另外值得称道的是FRAM,采用了TI最大容量256KB,因此存储资源丰富。而友商的一颗MCU资源有时只有几十KB、并缺少液晶显示器(LCD)驱动器和计量测试等接口,因此需要多颗MCU实现。

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FR6047芯片小批量时9.99美元,这个价格是否高?实际上,这是在批量1K以下。其实价格是比较合理的,因为通常一个模拟前端方案成本就已达3美元。


       TI有多种水表/流量表方案

为何TI还推出名为“MSP430超声波感应设计中心”的开发生态系统?因为超声波设计很复杂,各自来水公司的要求不同,因此TI提供相应的软件和工具,使开发人员可几个月内产品上市。


实际上,TI有完整的水表产品线,涵盖半机械式到全电子式。并且也可以做其他测量,诸如气体,但是气体密度低,测量难度加大。


上文说到MSP430FR6047是超声波计量家族的第一款产品,那么今后的产品路线图如何?刁勇先生透露,下一代新产品将是提高ADC精度,以便测量气体;另外还可能把FRAM容量做得小一些,以降低成本。


此次发布会上,TI还推出两款新型参考设计,使客户可以更轻松地设计模块,并为现有机械水表新增自动抄表功能(AMR)。


1.具有感应传感能力的新型低功耗水流测量参考设计是一种紧凑的解决方案,用于对低功耗机械流量计进行电能测量,延长电池寿命。由单芯片SimpleLink™双频带CC1350无线MCU启用,该参考设计还能够使设计人员为AMR网络添加双频无线通信。

2.第二个新型参考设计是基于SimpleLink™ Sub-1 GHz CC1310无线MCU的超低功耗解决方案。低功耗无线M-Bus通信模块参考设计采用TI的无线M-Bus软件堆栈,并支持868 MHz频段内的所有无线M-Bus操作模式。该参考设计可提供一流的功耗和灵活性,支持跨多个地区的无线M-Bus部署。

                 小结

水表市场正在兴起,半机械式/螺旋桨或叶轮式成本较低;超声波测量法成本较高,但精度高。此外AMR也需要更多的无线通信能力。TI厉兵秣马,已备好各种方案。      

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