基于NB-IoT的智能網(wǎng)關設計

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(1.北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048； 2.煙臺市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，山東 煙臺 264009)

0 引言

智能網(wǎng)關采用物聯(lián)網(wǎng)主流技術NB-IoT技術，主要設計用于小區(qū)家庭中水、電能、燃氣三表數(shù)據(jù)的共同采集，達到家庭物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)廣域傳輸中節(jié)能降耗的初衷。傳統(tǒng)智能網(wǎng)關通常采用GPRS、ZigBee、LoRa等技術進行數(shù)據(jù)傳輸至智能云平臺。文獻[1]中使用GPRS技術完成了小區(qū)電力智能抄表的設計，但受到一定阻礙，如信號覆蓋不穩(wěn)定、傳輸距離受限、功耗大及數(shù)據(jù)量大造成的終端數(shù)據(jù)飽和等因素。文獻[2]中使用ZigBee技術完成了智能網(wǎng)關的設計，但ZigBee無線模塊價格昂貴，且對信道帶寬要求較高，導致海量部署困難。LoRa技術發(fā)展較為成熟，但目前全面部署面臨一定阻礙，且所用頻段目前處于受制狀態(tài)，因此NB-IoT成為主流之選[3]。支持3種方式部署的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術，在相同發(fā)射功率下覆蓋比LTE增加20dB，信號穿透性強，低功耗待機時間可維持10年之久，單個小區(qū)用戶連接可達5萬余，適用于剛需智能家居設備[4-5]。

本文設計了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術的“三表合一”智能網(wǎng)關，采用國內(nèi)已搭建完成的公共射頻網(wǎng)絡，應用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片，可以精確獲取三塊表的使用數(shù)據(jù)，配合智能云平臺，采用上位機程序智能調(diào)控各網(wǎng)關，構(gòu)成智能網(wǎng)關[6]，解決了家庭物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)廣域低成本傳輸中節(jié)能降耗的問題。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)NB-IoT發(fā)展現(xiàn)狀，NB-IoT智能網(wǎng)關部署架構(gòu)包括智能網(wǎng)關采集終端、智能云平臺及用戶接收終端，如圖1所示。

智能網(wǎng)關采集終端即由智能網(wǎng)關連接三表構(gòu)成，采用485通訊，與NB-IoT基站通過CoAP協(xié)議傳輸，經(jīng)由智能云平臺通過虛擬專用撥號網(wǎng)(VPDN)運營商專屬的網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)至接收終端，形成完整架構(gòu)部署。

采集終端主要由主控制器電路、RS-485通信電路和NB-IoT網(wǎng)絡接入電路構(gòu)成。工作中，由主控制器控制依次將三塊表數(shù)據(jù)采集至智能網(wǎng)關中，存儲于主控制器中，由CoAP協(xié)議組裝、解析，由USR-NB75模組向NB-IoT基站傳輸。

智能網(wǎng)關設備可接入智能云平臺，利用SDK和API接口實現(xiàn)自主開發(fā)軟件功能，由智能云平臺對智能網(wǎng)關進行調(diào)控，實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)并實時監(jiān)測各智能網(wǎng)關，通過微信公眾號等方式即時報警功能，并通過HTTPS協(xié)議傳輸水、電能、燃氣三塊表數(shù)據(jù)至接收終端。

用戶接收終端主要由PC端或手機端構(gòu)成，接收終端上位機程序?qū)?shù)據(jù)進行解析、校驗、處理并給予反饋，亦可采用PC端或手機端實時監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)情況，接收終端根據(jù)用戶需求查看或下載數(shù)據(jù)，并可將調(diào)控指令反饋至智能云平臺進行命令轉(zhuǎn)接，對智能網(wǎng)關進行調(diào)控。

2 智能網(wǎng)關硬件設計

2.1 智能網(wǎng)關硬件功能設計

智能網(wǎng)關由電源模塊、主控制器、三表對應的RS-485接口、NB-IoT模組及液晶顯示器構(gòu)成，并包含SPI藍牙模塊接口，增強智能網(wǎng)關可擴展性，總體結(jié)構(gòu)設計如圖2所示。

圖2 智能網(wǎng)關結(jié)構(gòu)設計框圖

智能網(wǎng)關采用AMS1117電壓轉(zhuǎn)換器進行全局供電，主控制器通過UART接口與3選1I/O選擇器與三表進行異步通信，定時向三表依次發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令，三表接收指令后回復數(shù)據(jù)；同時主控制器控制NB-IoT模組定時向已部署的NB-IoT基站傳輸三塊表采集的數(shù)據(jù)。智能網(wǎng)關報警時液晶顯示器顯示報警情況，同時報警信息即時傳輸至用戶手機終端。此外，藍牙模塊接口可用于智能家居，如監(jiān)測智能穿戴設備，實時監(jiān)測家庭中老人狀況，各模塊協(xié)同合作構(gòu)成智能網(wǎng)關。

智能網(wǎng)關經(jīng)由采集接口直接連接水、電能、燃氣三塊表，由家庭電壓220 V供電，電壓進入智能網(wǎng)關前經(jīng)過AC/DC模塊轉(zhuǎn)換，將220 V電壓轉(zhuǎn)為5 V電壓，再經(jīng)過AMS1117電源元件將5 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V對智能網(wǎng)關中各模塊全局供電，通過主控制器控制數(shù)據(jù)的定時采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT模塊，對數(shù)據(jù)進行打包并通過NB-IoT模塊綁定的CoAP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。智能網(wǎng)關報警、時鐘及各表工作情況均通過液晶顯示屏顯示。藍牙模塊作為萬物聯(lián)網(wǎng)智能家居擴展接口，可連接老人防摔倒設備，監(jiān)測老人安全動態(tài)。

智能網(wǎng)關封裝選取86盒規(guī)格，大小為86 mm×86 mm的正方形底盒，并將TLT-LCD液晶顯示器嵌于正表面。該底盒可有效防范漏電，并在較小改變房屋電氣布局基礎上實現(xiàn)了智能網(wǎng)關的安裝，符合智能網(wǎng)關在家庭應用中安全且便捷的需求。

2.2 主控制器電路設計

主控制器采用STM32F103內(nèi)核Cortex-M3微處理器與三路RS-485差分信號負邏輯芯片進行數(shù)據(jù)采集，分別獲取三塊表的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作時鐘為72M，工作電壓3.3 V，外圍設備豐富，抗干擾能力強。智能網(wǎng)關進行系統(tǒng)初始化后，STM32F103芯片進入低功耗模式，等待定時中斷喚醒STM32F103芯片，并在傳輸數(shù)據(jù)前喚醒NB-IoT模塊。同時，Cortex-M3微處理器可根據(jù)報警信息即時控制各表關停，避免各表持續(xù)異常工作，并將報警信息顯示在TLT-LCD液晶顯示器模塊上。主控制器原理圖如圖3所示。

圖3 主控制器原理圖

主控制器電路設計包含看門狗電路，防止主控制器進入死機狀態(tài)。并包含RS-485芯片接口及I/O選擇器電路。要求當且僅當I/O選擇器選中的發(fā)送口R0/R1與接收口T0/T1為同一塊表的收發(fā)接口時，該表被選通，Cortex-M3微處理器可通過指令對該表進行數(shù)據(jù)采集。主控制器芯片中亦包含NB-IoT模組接口、藍牙模塊接口及TLT-LCD模塊接口。

2.3 NB-IoT網(wǎng)絡接入電路設計

NB-IoT網(wǎng)絡接入電路包含物聯(lián)網(wǎng)模塊系列的USR-NB75模塊及外圍電路，在智能網(wǎng)關初始化后，等待NB-IoT模塊被喚醒后，與綁定了運營商IP的NB-IoT網(wǎng)絡專用卡進行數(shù)據(jù)交互，再經(jīng)由已部署的NB-IoT網(wǎng)絡即800 MHz射頻頻段將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT基站。USR-NB75模組采用5-16 V供電，與Cortex-M3微處理器UART接口連接，實現(xiàn)NB-IoT模組與主控制器之間的異步通信，NB-IoT網(wǎng)絡接入電路設計如圖4所示。

圖4 NB-IoT網(wǎng)絡接入電路設計

在NB75模塊中內(nèi)嵌心跳包，定時對其進行喚醒，保證傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。并設置復位接口，使主控制器可通過AT指令集控制NB75模塊，在智能網(wǎng)關初始化時選通復位接口，使NB-IoT網(wǎng)絡接入電路復位。NB75模塊與主控制器通過UART串口異步通信，TXD口數(shù)據(jù)發(fā)送，RXD口用于數(shù)據(jù)接收。

NB-IoT網(wǎng)絡接入電路將NB-IoT網(wǎng)絡與微控制器系統(tǒng)相連接，使微控制器在采集水、電能、燃氣三表數(shù)據(jù)后可將數(shù)據(jù)打包，控制數(shù)據(jù)包經(jīng)由NB-IoT網(wǎng)絡傳輸至基站。

2.4 擴展接口：藍牙模塊功能設計

STM32芯片上已預留串口，串口擴展接口可連接藍牙或其他模塊，擴展智能網(wǎng)關功能，以藍牙模塊為例，藍牙模塊可連接智能家居如智能穿戴設備等裝置，加強智能網(wǎng)關可擴展性同時提升智能家居普及度。在連接智能穿戴設備，防止老人摔倒的擴展應用中，智能網(wǎng)關使用SPI串口連接藍牙模塊5.0，采用主從模式，主模塊連接UART串口至智能網(wǎng)關中，從模塊接入智能穿戴設備中，主模塊通過廣播模式監(jiān)聽從機信號，實時監(jiān)測老人動態(tài)。一個主機可連接個3個從機，當從機模塊報警時，信號由NB-IoT網(wǎng)絡接入電路傳輸，通過智能云平臺及時推送至手機端，通知家人。

3 系統(tǒng)軟件設計及系統(tǒng)測試

3.1 NB-IoT采集終端軟件設計

采集終端由主控制器全局掌控，定時進行數(shù)據(jù)采集并與NB-IoT網(wǎng)絡接入電路進行數(shù)據(jù)交互，采集終端軟件流程如圖5所示。

圖5 采集終端軟件流程圖

采集終端進行采集系統(tǒng)初始化后，STM32F103芯片進入低功耗模式，等待中斷定時器每半小時對其喚醒一次，喚醒后進行數(shù)據(jù)采集并存儲；同時中斷定時器每6小時控制NB-IoT模塊初始化一次，并連接STM32F103芯片等待數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集完成后退出PSM模式，Cortex-M3微處理器寫入心跳包使能時延，通過心跳包使能保持NB-IoT模塊與STM32芯片的正常連接，數(shù)據(jù)通過AT指令集發(fā)送至NB-IoT基站。

3.2 用戶接收終端測試軟件設計

用戶接收終端測試軟件使用管理者權(quán)限登陸系統(tǒng)，使接收終端服務器與智能云平臺連接，系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)包下載從而獲取全部用戶家庭各表使用情況，亦可在界面中查詢單個用戶的使用數(shù)據(jù)，用戶接收終端測試軟件界面如圖6所示。

用戶終端測試軟件由管理者登陸欄和用戶數(shù)據(jù)欄構(gòu)成。其中管理者登陸欄包括用戶名及密碼輸入框及登陸/斷開按鈕，用戶數(shù)據(jù)欄包括用戶ID框、查詢按鈕、數(shù)據(jù)包下載按鈕及三表已使用和賬戶剩余顯示框。用戶ID框可手動輸入或下拉選擇ID。

管理者輸入在程序中已設置好的用戶名及密碼，點擊登陸即可登陸用戶終端測試軟件，連接智能云平臺，用戶ID為智能網(wǎng)關中NB-IoT專用卡的ID，可下拉選擇或手動輸入，點擊查詢即可查詢該ID對應用戶家庭中各表數(shù)據(jù)使用情況及預存賬戶剩余情況。點擊數(shù)據(jù)包下載即可下載智能云平臺中該管理者賬號已授權(quán)的所有用戶ID的數(shù)據(jù)。方便管理者查詢各用戶情況及下載數(shù)據(jù)包進行處理。

用戶接收終端測試軟件可直觀體現(xiàn)智能網(wǎng)關采集到的數(shù)據(jù)，并可將用戶家庭賬戶中已購買的水、電能、燃氣已用及剩余量值均以表格形式體現(xiàn)，可明確與水、電能、燃氣三表進行對比，查驗接收終端所接受數(shù)據(jù)是否有誤，從而監(jiān)測智能網(wǎng)關及整體傳輸系統(tǒng)正確率。同時，終端測試軟件可隨時通過登陸軟件，連接至智能云平臺，向智能云平臺調(diào)取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)包下載至接收終端服務器中，便于及時對最新數(shù)據(jù)進行下載分析處理。

3.3 數(shù)據(jù)幀校驗及數(shù)據(jù)包定義

(1)數(shù)據(jù)幀校驗方式。

各表數(shù)據(jù)由STM32F103芯片通過RS-485芯片采集，在智能網(wǎng)關向NB-IoT基站傳輸數(shù)據(jù)過程中可能發(fā)生丟包導致數(shù)據(jù)異常。因此在數(shù)據(jù)包定義時采用循環(huán)冗余校驗碼(CRC)校驗方式，設置循環(huán)冗余校驗碼置于數(shù)據(jù)最后2Byte，使校驗位與數(shù)據(jù)一同打包、傳輸、解析，解析后的數(shù)據(jù)采用與設置校驗碼相同運算方式進行計算，得出校驗位與解析得到校驗位比較，判斷數(shù)據(jù)是否異常，異常則由智能云平臺向智能網(wǎng)關進行反饋重傳。

(2)數(shù)據(jù)包定義及數(shù)據(jù)傳輸。

本文采用自定義數(shù)據(jù)包對傳輸數(shù)據(jù)幀進行定義，數(shù)據(jù)包由幀頭、用戶ID 、三表數(shù)據(jù)、擴展接口數(shù)據(jù)、CRC校驗位和幀尾構(gòu)成，由CoAP協(xié)議將自定義數(shù)據(jù)包打包傳輸，向NB-IoT基站傳輸，具體傳輸幀定義如表1所示。

表1 傳輸數(shù)據(jù)幀定義

在數(shù)據(jù)采集及傳輸時，水表數(shù)據(jù)及電表數(shù)據(jù)分別保留1位小數(shù)，燃氣表保留3位小數(shù)，校驗位保留3位小數(shù)。幀頭、幀尾、校驗碼及各數(shù)據(jù)共同打包，選用CoAP協(xié)議中的需要確認消息(CON)類型進行傳輸，即智能網(wǎng)關傳輸數(shù)據(jù)后需要收到智能云平臺的確認。

3.4 實驗結(jié)果與分析

搭建實驗環(huán)境：將網(wǎng)關接入一戶家庭中，分別將485總線接入水表、電能表及燃氣表中，構(gòu)成智能網(wǎng)關采集環(huán)境。三表數(shù)據(jù)經(jīng)智能網(wǎng)關采集后通過NB-IoT網(wǎng)絡上傳至智能云平臺，并由智能云平臺進行轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)由測試軟件顯示數(shù)據(jù)情況。

測試過程：初始化智能網(wǎng)關，微控制器向各表發(fā)出指令采集水、電能、燃氣三表數(shù)據(jù)，智能網(wǎng)關連續(xù)工作15天，每半小時采集一次數(shù)據(jù)，間隔6小時傳輸一次數(shù)據(jù)，通過測試軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)接收情況。測試結(jié)果表明：

(1)數(shù)據(jù)采集端采集時間及采集數(shù)據(jù)準確，未發(fā)現(xiàn)存在誤差數(shù)據(jù)，滿足智能網(wǎng)關設計要求；

(2)數(shù)據(jù)傳輸時延可控制在10s之內(nèi)，在遠端服務器接收準確，未發(fā)生丟包現(xiàn)象，滿足行業(yè)使用標準；

(3)監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)長時間運行穩(wěn)定，可穩(wěn)定支持智能網(wǎng)關運行。

測試結(jié)果及分析：在一周時，登陸測試軟件，通過云平臺調(diào)取智能網(wǎng)關采集的水、電能、燃氣三表數(shù)據(jù)，此用戶家庭中一周使用水、電、氣使用如圖7所示。

圖7 測試家庭一周用水、電能、燃氣情況

如圖7所示，該測試家庭一周中所用電量為23千瓦時，用水量為4立方米，用燃氣量為8立方米，經(jīng)查驗，接收終端測試軟件所接收數(shù)據(jù)與水、電能、燃氣三表上顯示數(shù)據(jù)相同。因此，說明智能網(wǎng)關在采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)至智能云平臺及數(shù)據(jù)從智能云平臺透傳至服務器時工作穩(wěn)定。用戶家庭接入智能網(wǎng)關后，電能消耗未見明顯提升，說明智能網(wǎng)關功耗較低，滿足用戶家庭中正常使用條件，并且相對水、電能、燃氣三表分別采用一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，功耗在理論上降低了三分之二。

4 結(jié)術語

本文針對水表、電能表、燃氣表數(shù)據(jù)采集與傳輸功耗較高的問題設計了智能網(wǎng)關。所設計智能網(wǎng)關基于NB-IoT通信技術，對三表使用數(shù)據(jù)進行定時采集并傳輸，使用STM32F103芯片采集數(shù)據(jù)，并采用CoAP協(xié)議經(jīng)由NB-IoT模組傳輸，安全性能較高。數(shù)據(jù)經(jīng)由智能云平臺轉(zhuǎn)發(fā)，到達接收終端，便捷采集海量家庭中的各表數(shù)據(jù)并管理相關數(shù)據(jù)。測試表明所設計家庭智能網(wǎng)關數(shù)據(jù)采集準確、傳輸距離不受限、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實用性強，可以有效解決海量家庭中采集各表數(shù)據(jù)、智能調(diào)控各表的問題，可擴展性強。