基于NB-IoT的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)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(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)點容納特點，利用NB-IoT 無線通信技術(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)時代惠及民生的意義所在。設(shè)計一套基于 NB-IoT無線通信模塊的遠(yuǎn)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(xiàn)無線遠(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，同時也具有顯著的經(jīng)濟(jì)價值和應(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。采用NB-IoT無線通信模塊進(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(shù)據(jù)傳輸速率及擴(kuò)大系統(tǒng)通信容量，能夠簡化系統(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)實意義和經(jīng)濟(jì)價值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

目前，短距離無線通信技術(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)在短距離無線通信技術(shù)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。窄帶物聯(lián)網(wǎng)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(shù)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(gòu)成主要包括智能計費(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)對用戶的水電煤信息進(jìn)行采集并計量，計量信息通過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)通過無線蜂窩網(wǎng)上傳至服務(wù)器中心。

2采集終端方案設(shè)計

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(jìn)行周期性采樣，并對數(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)備通過無線方式對智能計量表進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)采集，并通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以無線方式上傳至基站，因此采集終端本質(zhì)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(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，在本項目中主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集、存儲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(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)采集接口通過AD/DC轉(zhuǎn)換模塊將大電流模擬信號進(jìn)行采樣和交直流轉(zhuǎn)換，并通過光耦進(jìn)行信號的隔離，以有效避免在電磁環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場模擬信號對數(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(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，能限度地滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，同時有效幫助客戶減小產(chǎn)品尺寸，并優(yōu)化產(chǎn)品成本。BC95無線通信模塊主要將采集到的智能表數(shù)據(jù)按照NB-IoT無線數(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等信號則是與SIM卡數(shù)據(jù)讀寫相關(guān)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(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)是一個較為復(fù)雜的模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，在實際調(diào)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(wù)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(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的基站系統(tǒng)。該設(shè)備已經(jīng)在2016年10月經(jīng)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)的R＆S解決方案，在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中與采集數(shù)據(jù)模塊通信性能良好，同時也驗證了硬件設(shè)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(zhì)量。遠(yuǎn)程服務(wù)器中心主要是用作數(shù)據(jù)的云存儲和遠(yuǎn)程管理，在本項目中主要由移動運(yùn)營商提供服務(wù)器運(yùn)營和維護(hù)服務(wù)。

4安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺

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系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現(xiàn)電能計量和電費(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，剩余水量用完自動關(guān)閥。

4.2 系統(tǒng)功能

AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)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(tuán)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(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財務(wù)操作分散，在線支付，總部財務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。

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

遠(yuǎn)程售電:財務(wù)集中管理，電量實時下發(fā)，并比對充值次數(shù)，方便快捷。

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

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實時關(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，都可及時短信通知商戶。

遠(yuǎn)程控制:可對任意一塊電表執(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 

本文探討了一種基于NB-IoT無線通信模塊的遠(yuǎn)程抄表智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分。物聯(lián)網(wǎng)時代，利用關(guān)鍵技術(shù)NB-IoT可以實現(xiàn)對人們生活息息相關(guān)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(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，詳細(xì)介紹了嵌入式STM32L433及BC95射頻系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，特別是對采集部分電路進(jìn)行了重點介紹。本系統(tǒng)結(jié)合樣機(jī)調(diào)試測試的數(shù)據(jù)及錯誤進(jìn)行了硬件電路的修改，并在下一版樣機(jī)研制過程中進(jìn)行完善。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 唐明軍.基于NB-IoT 的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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

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

作者簡介：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。