基于NB-IoT的遠程抄表系統(tǒng)的設計與選型

張娟

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：窄帶物聯網（NB-IoT）技術具有良好的室內覆蓋性能和海量節(jié)點容納特點，利用NB-IoT 無線通信技術結合傳統(tǒng)蜂窩網絡改造水電煤公共服務抄表系統(tǒng)，使得物聯網技術的優(yōu)勢能夠在公共服務領域得到很好的體現，這正是物聯網時代惠及民生的意義所在。設計一套基于 NB-IoT無線通信模塊的遠程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過ARM處理器搭載BC95模組來實現無線遠程智能抄表硬件系統(tǒng)，可以代替繁重的人力抄表工作，節(jié)約大量人力資源，同時也具有顯著的經濟價值和應用前景。

關鍵詞:NB-IoT；抄表系統(tǒng)；ARM處理器；BC95模組

0引言

隨著物聯網技術的飛速發(fā)展，“智慧地球”的理念已深入人心，以物聯網技術為核心的各種應用不斷刷新著人們的眼球，然而對于和人民生活息息相關的水電煤公共服務抄表系統(tǒng)卻仍處于較為落后的狀態(tài)，所以討論利用物聯網技術改造現代水電煤公共服務抄表系統(tǒng)的方

法。NB-IoT（窄帶物聯網）技術作為3GPP R13引入的一個新特性，具備良好的室內覆蓋性能、支持大規(guī)模低數據吞吐量、超低功耗及低成本四大優(yōu)勢。采用NB-IoT無線通信模塊進行智能電表、智能水表及智能氣表三表合一的采集，能夠有效解決目前水電煤終端數據的人力采集和數據格式不統(tǒng)一等問題，同時還能夠有效融合地上地下通信、統(tǒng)一多表通信協(xié)議、提高數據傳輸速率及擴大系統(tǒng)通信容量，能夠簡化系統(tǒng)運行所需的中繼設備，降低運維成本，減少安裝空間，為智慧水務、智慧燃氣及智慧供電提供遠傳抄表計量數據，進而更好地為智慧城市建設提供服務。因此設計一種基于NB-IoT技術的多表合一的遠程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的現實意義和經濟價值。

1 系統(tǒng)方案設計

目前，短距離無線通信技術在低功率、廣域覆蓋為特征的物聯網領域已經得到了廣泛應用，而窄帶物聯網（NB-IoT）技術在短距離無線通信技術中具有較強的優(yōu)勢。窄帶物聯網比其他短距離無線通信（如WiFi）性能更加優(yōu)越，尤其是在大覆蓋、**性及可靠性方面更為突出。本系統(tǒng)方案主要基于NB-IoT技術對居民生活水電煤信息采集終端的信息采集、信息傳輸以及狀態(tài)監(jiān)控，其系統(tǒng)構成主要包括智能計費表、采集終端、NB-IoT基站及服務器。

其中，智能表及與其連接的采集設備負責對用戶的水電煤信息進行采集并計量，計量信息通過Zigbee網絡以極低的功耗發(fā)送給NB-IoT基站進行數據匯總，NB-IoT基站連接服務器中心，將采集設備采集的智能表參數通過無線蜂窩網上傳至服務器中心。

2采集終端方案設計

采集終端是本系統(tǒng)的數據源頭，眾所周知，居民生活所須的水電煤用量每時每刻都在更新，海量的用戶水電煤計量信息從智能表被采集終端進行周期性采樣，并對數據進行打包，按照一定的發(fā)送周期進行數據的上傳。采集終端設備通過無線方式對智能計量表進行周期性數據采集，并通過窄帶物聯網技術以無線方式上傳至基站，因此采集終端本質上是一個相對獨立的電子系統(tǒng)，具有超低功耗、睡眠喚醒工作模式智能切換等特點。

該硬件方案主要基于 STM32嵌入式處理器搭載NB-IoT無線通信模塊來構建，主要包含數據采集接口模塊、光耦隔離模塊、按鍵模塊、顯示模塊、NB-IoT通信模塊及電源模塊。                         STM32L433是意法半導體公司在2016年度新發(fā)布的基于“ARMCortex-M4”的低功耗 MCU“STM32L4系列”ARM處理器，CPU內核的工作頻率為80 MHz，在本項目中主要負責對數據采集、存儲以及顯示等功能的調度和處理。

數據采集接口模塊主要用于周期性獲取智能表的數據參數，采集模塊主要包含時鐘模塊、存儲器單元、顯示電路及按鍵電路。采集裝置還包含AD/DC轉換電路，數據采集接口通過AD/DC轉換模塊將大電流模擬信號進行采樣和交直流轉換，并通過光耦進行信號的隔離，以有效避免在電磁環(huán)境復雜的工業(yè)現場模擬信號對數字系統(tǒng)的干擾，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

NB-IoT通信模塊采用上海移遠通信技術有限公司所生產NB-IoT無線通信模塊 BC95。它是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊，采用了省電技術，在低功耗模式下（PSW）電流消耗低至5μA，尺寸僅為23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，能限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產品的需求，同時有效幫助客戶減小產品尺寸，并優(yōu)化產品成本。BC95無線通信模塊主要將采集到的智能表數據按照NB-IoT無線數據協(xié)議打包并發(fā)送至NB-IoT基站。BC95模塊集成了豐富的接口資源，包括簡潔方便的射頻接口、UART 串口，可以和STM32L433進行方便的數據通信。需注意，NB-IoT設備需要運營商網絡支持，所以硬件上必須有能和SIM卡進行數據交互的接口，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST及USIM_VDD等信號則是與SIM卡數據讀寫相關的信號。

電源模塊用于提供整個硬件系統(tǒng)所需電能。電源模塊主要由調壓模塊、恒流模塊、升壓模塊、整流模塊及微處理器模塊組成。其中，調壓模塊用于調節(jié)三相電源的三相電壓；恒流模塊用于將三相電源的三相電壓轉換成三相電流源；升壓模塊用于將恒流模塊轉換的三相電流源進行升壓；整流模塊用于對升壓后的電流源進行整流；微處理器模塊用于根據整流模塊輸出的二次電流的大小調節(jié)所述調壓模塊。采集終端硬件系統(tǒng)是一個較為復雜的模擬數字混合系統(tǒng)，在實際調試過程中遇到了一些問題，通過電路飛線及增加一些元器件得以解決。

3 NB-IoT基站及服務器中心介紹

本項目中NB-IoT基站采用華為公司基于3GPPR13 Cat－NB 1標準開發(fā)的基站系統(tǒng)。該設備已經在2016年10月經過華為公司和羅德與施瓦茨公司共同完成基本測試成功驗證了空中接口技術和射頻性能。該基站系統(tǒng)采用eRAN 12.0無線版本及符合3GPP TS36.141標準的R＆S解決方案，在系統(tǒng)聯調過程中與采集數據模塊通信性能良好，同時也驗證了硬件設備在NB-IoT無線電通信協(xié)議規(guī)范下的通信可靠性和通信質量。遠程服務器中心主要是用作數據的云存儲和遠程管理，在本項目中主要由移動運營商提供服務器運營和維護服務。

4安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺

4.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統(tǒng)，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。

4.2 系統(tǒng)功能

AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。
   本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。

遠程售電:財務集中管理，電量實時下發(fā)，并比對充值次數，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現在線自助充值水電費，也可以實時關注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

遠程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。

4.3 產品選型

5結束語 

本文探討了一種基于NB-IoT無線通信模塊的遠程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分。物聯網時代，利用關鍵技術NB-IoT可以實現對人們生活息息相關的水電煤計量系統(tǒng)的智能化管理，降低了人力資源成本。本文對遠程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)的各組成部分進行了原理解釋，詳細介紹了嵌入式STM32L433及BC95射頻系統(tǒng)的電路結構，特別是對采集部分電路進行了重點介紹。本系統(tǒng)結合樣機調試測試的數據及錯誤進行了硬件電路的修改，并在下一版樣機研制過程中進行完善。

【參考文獻】

[1] 唐明軍.基于NB-IoT 的遠程抄表系統(tǒng)的硬件設計

[2] 何昌鴻，李星.基于NB-IoT遠程抄表設計研究[J].電子質量，2017，（12）：69-71，76.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06

作者簡介：張娟，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍**用電研究發(fā)展。