智能水表是一種利用現代微電子技術、現代傳感技術對用水量進行計量并進行用水數據傳遞及結算交易的新型水表。傳統水表一般只具有流量采集和機械指針顯示用水量的功能，與傳統水表相比，智能水表作為智能化聯網工具，是對傳統水表的升級，依靠Nb-loT、LoRa等通信技術連接和組網，實現了高效智能化的管理。

華大電子以Arm 32位為內核的系列安全MCU產品，可同時滿足智能水表的聯網通信技術和多種現代傳感技術要求。產品主要應用領域包括智能水表、便攜醫療、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用場景和業務功能，設計開發了基于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行遠程通信。

遠程通信流程如下：

圖4 遠程抄表信息交互流程

水表通過CIU32L041安全MCU內部實時時鐘RTC定時喚醒，每日定時與水務公司后臺總站進行信息交互，同步表信息，以實現遠程抄表、充值及查詢功能。

方案特點

•  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9600bps

•  整機待機，維持LCD顯示，工作電流平均可低至10uA

•  NB-IOT通訊，可實現遠程抄表、充值

•  低功耗模式下實時監測電池電量，低電量自動關閥

•  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內核，最高頻率可達48MHz。該產品具有超低功耗、高集成度、高可靠性、高安全的特點。內部集成LCD、ADC、VREFBUF、低功耗COMP、多種定時器、多個USART/I2C/SPI 等豐富的外設資源，支持SM4 安全加密算法。

產品特點

•  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，節約電池成本

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

•  最大支持8COM x 32SEG LCD控制器

– 片內電阻分壓，高低驅可動態切換，低功耗下提升顯示效果，免外部電容

– 內置電荷泵，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，支持溫度補償