基于NB-IoT的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)具有良好的室內(nèi)覆蓋性能和海量節(jié)點(diǎn)容納特點(diǎn)，利用NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)改造水電煤公共服務(wù)抄表系統(tǒng)，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)能夠在公共服務(wù)領(lǐng)域得到很好的體現(xiàn)，這正是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代惠及民生的意義所在。設(shè)計(jì)一套基于 NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊的遠(yuǎn)程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)ARM處理器搭載BC95模組來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)也具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:NB-IoT；抄表系統(tǒng)；ARM處理器；BC95模組

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，“智慧地球”的理念已深入人心，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的各種應(yīng)用不斷刷新著人們的眼球，然而對(duì)于和人民生活息息相關(guān)的水電煤公共服務(wù)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(lián)網(wǎng)技術(shù)改造現(xiàn)代水電煤公共服務(wù)抄表系統(tǒng)的方

法。NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)作為3GPP R13引入的一個(gè)新特性，具備良好的室內(nèi)覆蓋性能、支持大規(guī)模低數(shù)據(jù)吞吐量、超低功耗及低成本四大優(yōu)勢(shì)。采用NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)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(shù)據(jù)的人力采集和數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等問(wèn)題，同時(shí)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(shù)據(jù)傳輸速率及擴(kuò)大系統(tǒng)通信容量，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)行所需的中繼設(shè)備，降低運(yùn)維成本，減少安裝空間，為智慧水務(wù)、智慧燃?xì)饧爸腔酃╇娞峁┻h(yuǎn)傳抄表計(jì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而更好地為智慧城市建設(shè)提供服務(wù)。因此設(shè)計(jì)一種基于NB-IoT技術(shù)的多表合一的遠(yuǎn)程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

目前，短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在低功率、廣域覆蓋為特征的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)在短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)比其他短距離無(wú)線(xiàn)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(shù)對(duì)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(gòu)成主要包括智能計(jì)費(fèi)表、采集終端、NB-IoT基站及服務(wù)器。

其中，智能表及與其連接的采集設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)用戶(hù)的水電煤信息進(jìn)行采集并計(jì)量，計(jì)量信息通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)以極低的功耗發(fā)送給NB-IoT基站進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，NB-IoT基站連接服務(wù)器中心，將采集設(shè)備采集的智能表參數(shù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)上傳至服務(wù)器中心。

2采集終端方案設(shè)計(jì)

采集終端是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭，眾所周知，居民生活所須的水電煤用量每時(shí)每刻都在更新，海量的用戶(hù)水電煤計(jì)量信息從智能表被采集終端進(jìn)行周期性采樣，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，按照一定的發(fā)送周期進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳。采集終端設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式對(duì)智能計(jì)量表進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以無(wú)線(xiàn)方式上傳至基站，因此采集終端本質(zhì)上是一個(gè)相對(duì)獨(dú)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(diǎn)。

該硬件方案主要基于 STM32嵌入式處理器搭載NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊來(lái)構(gòu)建，主要包含數(shù)據(jù)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(dǎo)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(nèi)核的工作頻率為80 MHz，在本項(xiàng)目中主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及顯示等功能的調(diào)度和處理。

數(shù)據(jù)采集接口模塊主要用于周期性獲取智能表的數(shù)據(jù)參數(shù)，采集模塊主要包含時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)器單元、顯示電路及按鍵電路。采集裝置還包含AD/DC轉(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)采集接口通過(guò)AD/DC轉(zhuǎn)換模塊將大電流模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和交直流轉(zhuǎn)換，并通過(guò)光耦進(jìn)行信號(hào)的隔離，以有效避免在電磁環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)對(duì)數(shù)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(yuǎn)通信技術(shù)有限公司所生產(chǎn)NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊 BC95。它是一款高性能、低功耗的NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊，采用了省電技術(shù)，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(mǎn)足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，同時(shí)有效幫助客戶(hù)減小產(chǎn)品尺寸，并優(yōu)化產(chǎn)品成本。BC95無(wú)線(xiàn)通信模塊主要將采集到的智能表數(shù)據(jù)按照NB-IoT無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)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(jiǎn)潔方便的射頻接口、UART 串口，可以和STM32L433進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)通信。需注意，NB-IoT設(shè)備需要運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)支持，所以硬件上必須有能和SIM卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST及USIM_VDD等信號(hào)則是與SIM卡數(shù)據(jù)讀寫(xiě)相關(guān)的信號(hào)。

電源模塊用于提供整個(gè)硬件系統(tǒng)所需電能。電源模塊主要由調(diào)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(diào)壓模塊用于調(diào)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(zhuǎn)換成三相電流源；升壓模塊用于將恒流模塊轉(zhuǎn)換的三相電流源進(jìn)行升壓；整流模塊用于對(duì)升壓后的電流源進(jìn)行整流；微處理器模塊用于根據(jù)整流模塊輸出的二次電流的大小調(diào)節(jié)所述調(diào)壓模塊。采集終端硬件系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，通過(guò)電路飛線(xiàn)及增加一些元器件得以解決。

3 NB-IoT基站及服務(wù)器中心介紹

本項(xiàng)目中NB-IoT基站采用華為公司基于3GPPR13 Cat－NB 1標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的基站系統(tǒng)。該設(shè)備已經(jīng)在2016年10月經(jīng)過(guò)華為公司和羅德與施瓦茨公司共同完成基本測(cè)試成功驗(yàn)證了空中接口技術(shù)和射頻性能。該基站系統(tǒng)采用eRAN 12.0無(wú)線(xiàn)版本及符合3GPP TS36.141標(biāo)準(zhǔn)的R＆S解決方案，在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過(guò)程中與采集數(shù)據(jù)模塊通信性能良好，同時(shí)也驗(yàn)證了硬件設(shè)備在NB-IoT無(wú)線(xiàn)電通信協(xié)議規(guī)范下的通信可靠性和通信質(zhì)量。遠(yuǎn)程服務(wù)器中心主要是用作數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程管理，在本項(xiàng)目中主要由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供服務(wù)器運(yùn)營(yíng)和維護(hù)服務(wù)。

4安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)

4.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶(hù)計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

4.2 系統(tǒng)功能

AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢(xún)、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。
   本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線(xiàn)支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。

遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)，方便快捷。

能耗分析:用戶(hù)和管理員都可查詢(xún)預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶(hù)表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

在線(xiàn)支付:商戶(hù)可以通過(guò)小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶(hù)。

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

4.3 產(chǎn)品選型

5結(jié)束語(yǔ) 

本文探討了一種基于NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊的遠(yuǎn)程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，利用關(guān)鍵技術(shù)NB-IoT可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人們生活息息相關(guān)的水電煤計(jì)量系統(tǒng)的智能化管理，降低了人力資源成本。本文對(duì)遠(yuǎn)程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)行了原理解釋?zhuān)敿?xì)介紹了嵌入式STM32L433及BC95射頻系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)采集部分電路進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。本系統(tǒng)結(jié)合樣機(jī)調(diào)試測(cè)試的數(shù)據(jù)及錯(cuò)誤進(jìn)行了硬件電路的修改，并在下一版樣機(jī)研制過(guò)程中進(jìn)行完善。

【參考文獻(xiàn)】

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[2] 何昌鴻，李星.基于NB-IoT遠(yuǎn)程抄表設(shè)計(jì)研究[J].電子質(zhì)量，2017，（12）：69-71，76.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06

作者簡(jiǎn)介：張娟，女，現(xiàn)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。