基于NB-IoT的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

唐明軍

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

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)[1]。采用NBIoT無(wú)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(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)[2]。

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)線通信技術(shù)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[3]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)比其他短距離無(wú)線通信（如WiFi）性能更加優(yōu)越，尤其是在大覆蓋、安全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，居民生活所必須的水電煤用量每時(shí)每刻都在更新，海量的用戶水電煤計(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[4]。采集終端設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式對(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)核的最大工作頻率為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[5]。

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)線通信模塊BC95。它是一款高性能、低功耗的NB-IoT無(wú)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5 μA，尺寸僅為23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，能最大限度地滿足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，同時(shí)有效幫助客戶減小產(chǎn)品尺寸，并優(yōu)化產(chǎn)品成本。BC95無(wú)線通信模塊主要將采集到的智能表數(shù)據(jù)按照NB-IoT無(wú)線數(shù)據(jù)協(xié)議打包并發(fā)送至NB-IoT基站，BC95無(wú)線通信模塊電路原理如圖6所示。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[6]。需注意，NBIoT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3GPP R13 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)線版本及符合3GPP TS 36.141 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 結(jié) 論

本文探討了一種基于NB-IoT無(wú)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(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，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(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。