物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱是“The Internet of things”，簡稱IoT，意思是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間進(jìn)行信息交換和通信。近二十年，電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了水表技術(shù)的進(jìn)步，從傳統(tǒng)機(jī)械水表到本地IC卡水表，從IC卡水表到總線式通信水表和無線通信水表，近幾年低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)水表的大量應(yīng)用，如圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)水表的發(fā)展歷程。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)水表的發(fā)展歷程

一、物聯(lián)網(wǎng)水表的誕生歷程

回首上世紀(jì)九十年代末，國內(nèi)智能水表行業(yè)借鑒電表、安防等行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，采用RS-485國際標(biāo)準(zhǔn)總線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動抄水表的功能。2007年左右國內(nèi)部分智能水表企業(yè)開始在歐洲Mini-Bus總線電路基礎(chǔ)上修改后產(chǎn)生了國內(nèi)的M-Bus總線電路。但由于各企業(yè)的M-Bus總線電平處理方式有細(xì)微差別，各廠家的產(chǎn)品之間兼容性較差。另外，總線制通信技術(shù)方案由于工程布線工作量大，必須在弱電建設(shè)時介入、預(yù)留布線管道，適用于新建樓盤和小區(qū)，不適用大量的舊小區(qū)改造和不方便布線的項(xiàng)目。

2010年左右，隨著智能抄表在水行業(yè)的廣泛應(yīng)用，部分城市除了新建樓盤采用智能水表，周期更換項(xiàng)目也開始采用智能水表。舊小區(qū)無法布線，原有總線制通信方案的弊端暴露出來。在這種背景下小無線通信技術(shù)開始在智能水表上應(yīng)用，從早期的Zigbee到RF(FSK)、LoRa等。無論哪種小無線在實(shí)際應(yīng)用過程中都不可避免地出現(xiàn)信號干擾、穿透能力有限、無法保證無線水表大面積應(yīng)用過程中信號的有效覆蓋和通訊穩(wěn)定性。

2013年左右，隨著中移物聯(lián)網(wǎng)成立并推出物聯(lián)網(wǎng)卡業(yè)務(wù)，GPRS流量費(fèi)用得到了大幅下降，原來只用在集中器、采集器上的GPRS技術(shù)開始向智能水表終端轉(zhuǎn)移。物聯(lián)網(wǎng)水表在水務(wù)應(yīng)用中趨向于簡單化，供水公司可以像普通水表一樣去安裝和維護(hù)，這為周期更換水表業(yè)務(wù)提供了一種更簡便的智能化手段。但是也存在兩個問題：一是由于水表安排位置一般在角落或者是比較密閉的管道井里，部分水表的位置基站信號并不好，在大面積使用過程中總會碰到一些點(diǎn)信號不好，無法保證通信的穩(wěn)定性。二是GPRS模塊功耗過大，為降低功耗不得不降低通信頻次，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時雙向通信，只能采取定時定向喚醒的通信方式。

2015年隨著在歐洲商用NB-IoT成功，運(yùn)營商簽訂了NB-IoT技術(shù)在中國商用的戰(zhàn)略計劃，NB-IoT將在未來的物聯(lián)網(wǎng)層面上取代現(xiàn)有的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT技術(shù)更強(qiáng)的穿透能力、覆蓋能力、與LoRa相當(dāng)?shù)牡凸哪軌蚪鉀Q上述GPRS的問題。另外，NB-IoT技術(shù)具有低功耗、廣深覆蓋、低成本、免維護(hù)等特點(diǎn)，應(yīng)用于智慧水務(wù)方面，可以高安全、低成本的實(shí)現(xiàn)對智能水表的流量信息穩(wěn)定地實(shí)時采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、控制指令下發(fā)等遠(yuǎn)程操作，將采集的水表數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息進(jìn)行及時分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)更有針對性、科學(xué)性的動態(tài)管理，提升智慧水務(wù)的管理效率和服務(wù)水平。

二、物聯(lián)網(wǎng)水表的安全問題

有網(wǎng)絡(luò)的地方就會有安全問題，尤其是基于NB-IoT技術(shù)的公網(wǎng)系統(tǒng)，每個水表節(jié)點(diǎn)都能直接連接云端，沒有中間網(wǎng)關(guān)環(huán)節(jié)，成為被攻擊的直接對象。物聯(lián)網(wǎng)水表系統(tǒng)如圖2所示，安全設(shè)計應(yīng)該從終端本身著手，由下而上全方位做好安全防護(hù)，才能保證整個系統(tǒng)的安全性。物聯(lián)網(wǎng)終端的主要安全措施有增加訪問者的身份驗(yàn)證和設(shè)備認(rèn)證、數(shù)據(jù)存儲和傳輸采用國密算法加密等。

                                                                                圖2. 物聯(lián)網(wǎng)水表系統(tǒng)

近年來，相關(guān)部門對物聯(lián)網(wǎng)水表的安全設(shè)計也提出了具體要求：物聯(lián)網(wǎng)水表管理平臺應(yīng)具備擴(kuò)展性、以及TB級數(shù)據(jù)量的長期存儲、安全使用能力。系統(tǒng)應(yīng)具備快速處理和大量用戶并發(fā)處理能力。支持物聯(lián)網(wǎng)水表終端采用安全芯片提供加密和認(rèn)證，并優(yōu)先選用國密算法和技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)水表平臺設(shè)計應(yīng)符合信息安全等級保護(hù)三級及云平臺安全相關(guān)要求，采用符合國家技術(shù)與法規(guī)要求的國密算法。支持國密算法及密鑰的管理與發(fā)行，支持無證書的非對稱密碼體系。支持多安全域管理、多安全應(yīng)用和遠(yuǎn)程的安全下載。支持采用無證書機(jī)制提供統(tǒng)一認(rèn)證服務(wù)。支持符合國密標(biāo)準(zhǔn)的對稱與非對稱數(shù)據(jù)加密保護(hù)通信通道。支持?jǐn)?shù)據(jù)加解密、簽名驗(yàn)簽、隨機(jī)數(shù)生成、密鑰生成等，敏感數(shù)據(jù)加密存儲和訪問控制、快速銷毀，支持安全設(shè)備管理、安全策略配置、密鑰管理、安全事件監(jiān)測、行為安全審計。

物聯(lián)網(wǎng)水表系統(tǒng)應(yīng)提供角色管理、權(quán)限管理、統(tǒng)一認(rèn)證等功能。采用加解密（含對稱與非對稱密鑰、數(shù)字信封等）、簽名驗(yàn)簽等安全手段。提供對重要事件的日志管理功能。根據(jù)業(yè)務(wù)需要，提供基于IP網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)接口，需采用遠(yuǎn)程過程調(diào)用RPC接口或Restful接口形式；提供基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口，需結(jié)合NB-IoT網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行安全設(shè)計。

三、RJM8L151系列低功耗安全MCU

鑒于物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備對功耗和安全問題的迫切需求，瑞納捷電子推出了RJM8L151系列是超低功耗安全MCU，非常適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。RJM8L151系列不僅具備出色的運(yùn)行和待機(jī)功耗表現(xiàn)，還內(nèi)置了硬件真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和AES/DES/SM4硬件加密引擎。集成12位高精度逐次逼近型ADC和2通道的多功能比較器，對物聯(lián)網(wǎng)傳感器的高精度、實(shí)時檢測極為有益。RJM8L151豐富的外圍接口使擴(kuò)展各種通信模塊、功能模塊更加方便。RJM8L151基于增強(qiáng)型哈佛架構(gòu)的CPU內(nèi)核和多級流水線指令系統(tǒng)，相同時鐘頻率的處理性能是傳統(tǒng)8051的3倍，采用Keil uVision4或IAR集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)調(diào)試應(yīng)用代碼。RJM8L151系列安全MCU的硬件框圖如圖3所示。

                                                                   圖3 RJM8L151系列安全MCU硬件框圖

RJM8L151有4個時鐘源：內(nèi)部高速時鐘、內(nèi)部低速時鐘、外部高速時鐘和外部低速時鐘。RJM8L151的時鐘控制模塊將這幾個時鐘源通過靈活的配置分頻實(shí)現(xiàn)不同的功耗和性能需求。輔助系統(tǒng)時鐘可以使用內(nèi)部低速時鐘或外部低速時鐘實(shí)現(xiàn)低功耗的要求，主系統(tǒng)時鐘提供給RJM8L151的CPU，子系統(tǒng)時鐘為外設(shè)提供給時鐘源。多樣的時鐘資源可以降低系統(tǒng)消耗，輔助系統(tǒng)時鐘在保持低功耗的同時也可以接受外部中斷，響應(yīng)外部環(huán)境的變化。使用內(nèi)部高速RC振蕩器作為主系統(tǒng)時鐘，不僅可以省去一個外部的高速晶振，同時可以快速喚醒MCU來降低功耗。

RJM8L151設(shè)計了豐富的定時模塊，包括2個16位基本定時器，1個16位通用定時器支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能。2個16位高級定時器除了支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能，還支持12對互補(bǔ)PWM輸出。1個實(shí)時時鐘RTC模塊，產(chǎn)生年、月、日、時、分、秒，并有自動閏年補(bǔ)償功能，采用外部32.768kHz晶振提供時鐘可使計時誤差更小。RJM8L151內(nèi)嵌15位窗口看門狗定時器，采用系統(tǒng)時鐘計時，溢出時可產(chǎn)生中斷或復(fù)位信號，待機(jī)模式下停止計數(shù)。

RJM8L151單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境是Keil uVision4。Keil是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具供應(yīng)商，uVision4是C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）的第4版本，其中的Keil C51支持RJM8L151的開發(fā)調(diào)試，該環(huán)境集編輯，編譯，仿真于一體，支持匯編和C語言的程序設(shè)計。

RJM8L151系列MCU配備了高效的在線仿真器和下載器，既可以方便前期開發(fā)調(diào)試又為后期生產(chǎn)安裝提供了方便。RJM8L151支持標(biāo)準(zhǔn)JTAG下載和調(diào)試，可以不使用仿真器，用離線編程器就可以實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存Flash的修改，提高了批量燒錄的效率，也為程序升級維護(hù)提供了方便。

三、基于RJM8L151的物聯(lián)網(wǎng)水表方案

基于RJM8L151的物聯(lián)網(wǎng)水表方案的硬件框如圖4所示。主要包括RJM8L151C8T6單片機(jī)、NB-IoT(或LoRa)通信模塊、水流量脈沖采集電路和傳感器（干簧管或霍爾IC）、電磁閥驅(qū)動電流、報警輸出電路、EEPROM存儲電路等，擴(kuò)展模塊包括LCM顯示模組、BLE藍(lán)牙模塊和嵌入式安全模塊ESAM。基于RJM8L151的物聯(lián)網(wǎng)水表方案特點(diǎn)如下所述

                                                                          圖4 物聯(lián)網(wǎng)水表硬件框圖

??  RJM8L151的正常工作電壓范圍是1.62V到5.5V,非常適合3.6V的鋰電池供電，可將電池能量利用率利用到，另外RJM8L151低至0.5uA的待機(jī)電流，既能保持內(nèi)部RTC的正常計時，又能保持SRAM數(shù)據(jù)不變，該性能可大大減小系統(tǒng)對電池容量尺寸的要求。RJM8L151具有6種電源管理模式，通過裁剪時鐘樹的方式關(guān)閉時鐘來實(shí)現(xiàn)不同需求的功耗。一般情況下使用內(nèi)部低速時鐘就可以完成對外部中斷的響應(yīng)，同時又可以保持很低的功耗，這是同類MCU無法做到的。另外，RJM8L151從低功耗狀態(tài)喚醒小于5us，可以實(shí)現(xiàn)快速睡眠快速喚醒低占空比工作，這又極大的降低了系統(tǒng)功耗。

??RJM8L151在普通低功耗MCU的基礎(chǔ)上增加了硬件加密模塊和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，即所謂的安全MCU。安全MCU的安全性介于通用MCU和獨(dú)立加密單元(SE)之間，在成本和功耗方面比SE有更大優(yōu)勢。安全MCU能夠?qū)崿F(xiàn)基本的數(shù)據(jù)加解密和身份認(rèn)證功能，非常適合物聯(lián)網(wǎng)終端的應(yīng)用。

??電池電量的檢測是電池供電設(shè)備的一個重要模塊。當(dāng)電池電量過低時，會導(dǎo)致MCU的復(fù)位，從而使設(shè)備消耗更多的電量，進(jìn)一步加劇電量的損耗。同時，對電池電量的檢測行為也會增加電池的能量消耗，因此要平衡電池電量檢測的使用頻次。RJM8L151提供了7通道的12位ADC檢測外部輸入電壓，還有2通道的電壓比較器，電池電壓通過分壓電阻采樣后輸入到ADC模塊或比較器模塊。ADC模塊的工作時鐘來自CPU時鐘，基準(zhǔn)電壓來自于內(nèi)部或外部輸入，支持單次采樣和多次采樣，并內(nèi)置了校準(zhǔn)單元。ADC轉(zhuǎn)換過程中，為了不影響CPU執(zhí)行其它任務(wù)，可設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生中斷。如果用ADC做電池電壓的檢測建議用查詢方式，根據(jù)鋰電池的放電曲線特點(diǎn)，電池電量檢測不必過于頻繁，每15到20分鐘檢測一次電池電量足以。某些應(yīng)用中，了及時檢測到電池電壓的狀態(tài)又不增加功耗，可以結(jié)合RJM8L151的比較器和ADC模塊各自優(yōu)勢，先用比較器定性檢測電池電壓的是否低于報警閥值，再啟用ADC定量檢測電池實(shí)時電壓以確認(rèn)是否啟動報警，比較器響應(yīng)速度快功耗低，但只能定性比較。

??RJM8L151在工作中大部分時間處于低功耗狀態(tài)，通過水流量脈沖采集電路觸發(fā)喚醒來計量用水量，也可以通過定時器定時喚醒開啟NB-IoT，向云端服務(wù)上傳水表數(shù)據(jù)。RJM8L151多達(dá)40個中斷向量入口，支持5個外部中斷輸入，30個中斷優(yōu)先級，確保每個外來信號都能被檢測到。

?? 傳統(tǒng)的IC卡水表都有本地操作的需求，LCD顯示屏是必須的。而物聯(lián)網(wǎng)水表是可以通過遠(yuǎn)程操作讀寫水表數(shù)據(jù)，所以LCD顯示屏不是必須的，方案中將LCM模組做為可選硬件，預(yù)留I2C接口做為模組的通信端口，在一些特殊應(yīng)用中才予以配備。

圖5 智能水表水流量檢測

?? 智能水表的水量檢測模塊基于對干式磁傳水表的碼盤進(jìn)行檢測，通過累計計數(shù)得到水量信息，如圖5所示。碼盤為對稱的黑白色，由水表的葉輪帶動，每0.001m3轉(zhuǎn)一圈。自來水的流速與水壓和管徑有很大的關(guān)系，但是高流速不會超過3m/s，轉(zhuǎn)一圈的時間多1s。碼盤上面有兩個顏色，轉(zhuǎn)一圈需要檢測4種狀態(tài)，分別是全黑色、全白色、1個是黑色1個是白色和1個是白色1個是黑色。通過這4種狀態(tài)的檢測可以得到碼盤轉(zhuǎn)動一圈的完整過程。通過RJM8L151的GPIO啟動碼盤檢測電路，再通過定時器中斷掃描的方式檢測碼盤狀態(tài)，定時中斷周期為100ms左右為好，這樣可以保證不會出現(xiàn)漏記的現(xiàn)象出現(xiàn)。

?? 通過對流量的檢測和轉(zhuǎn)一圈的時間做除法可以得到實(shí)時的流速，RJM8L151內(nèi)置16位的硬件除法器可以支持快速運(yùn)算，并將計算出來的流速和流量信息存儲到外部EEPROM中。使用碼盤的方式同樣可以解決水表倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，通過檢測碼盤的4個狀態(tài)，將上一次記錄的碼盤的狀態(tài)與當(dāng)前碼盤狀態(tài)比對可判斷出碼盤是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，或者是沒有轉(zhuǎn)動。

?? 擴(kuò)展的BLE藍(lán)牙模塊可解決現(xiàn)場調(diào)試和后期維護(hù)，也可用于水表生產(chǎn)中表號及重要參數(shù)的設(shè)置。也可以通過用戶手機(jī)APP連接藍(lán)牙模塊，讀取水表狀態(tài)和錯誤狀態(tài)。

?? 基于RJMU401的ESAM是嵌入式安全模塊，其硬件基于CPU卡芯片，安全性高，可做為電子錢包使用，存儲充值及消費(fèi)金額，以及其他一 些重要的參數(shù)，同時具有身份識別功能，與外部卡片進(jìn)行雙向身份認(rèn)證。隨著物聯(lián)網(wǎng)終端安全問題的日益突出，ESAM被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲、數(shù)據(jù)的加解密、終端身份的識別與認(rèn)證，嵌入式軟件的版權(quán)保護(hù)、DRM數(shù)字版權(quán)的管理等功能。

四、 基于RJM8L151物聯(lián)網(wǎng)水表方案的優(yōu)勢

1、超低功耗

RJM8L151系列MCU多達(dá)6種低功耗管理模式，待機(jī)功耗低至0.35uA，待機(jī)喚醒時間低于5us。大大延長水表電池的使用壽命，實(shí)現(xiàn)水表電池在整個生命周期內(nèi)不用更換。

2、接口豐富

RJM8L151系列MCU集成4路SPI接口和4路UART接口，使外掛LoRa模塊、NB-IoT和藍(lán)牙模塊的電路設(shè)計更加靈活多樣。2路I2C接口可以外接LCD顯示驅(qū)動器和EEPROM存儲器，1路智能卡7816接口對擴(kuò)展外掛ESAM模塊更加方便。

3、集成硬件加密模塊

RJM8L151系列MCU內(nèi)置對稱式分組加密算法AES和SM4,SM4符合國家密碼管理局發(fā)布的GM/T 0002-2012《SM4分組密碼算法》標(biāo)準(zhǔn)，適用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)加解密

4、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生

RJM8L151系列內(nèi)置基于數(shù)字振蕩環(huán)的8位真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，符合國家密碼管理局《隨機(jī)數(shù)檢測規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。

5、存儲器安全

RJM8L151系列針對內(nèi)部Flash、SRAM等存儲單元設(shè)計了高強(qiáng)度物理防護(hù)電路，有效防止惡意代碼竊取和反向分析。