一種基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硌芯吭O(shè)計(jì)

高柱榮

(桂林市利通電子科技有限責(zé)任公司，廣西 桂林541004)

摘 針：針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和智能燃?xì)獗韺Φ凸呐c強(qiáng)連接的需求，提出了一種基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)方案。該方案采用瑞薩R7F0C004芯片作為MCU采集燃?xì)庥?jì)量數(shù)據(jù)，以N700-58為通信模組實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)由CoAP協(xié)議封裝后發(fā)送到電信AEP平臺，再由AEP平臺推送到燃?xì)獗順I(yè)務(wù)管理平臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的燃?xì)獗斫K端無論是在連網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)，還是在低能耗方面都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠很好地滿足應(yīng)用需求。

0 引言

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和我國智慧城市建設(shè)的推動，5G、NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)、GPRS、LoRa、WiFi和藍(lán)牙等技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。其中，NB-IoT作為一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)的新興技術(shù)，具有高覆蓋、強(qiáng)連接、低速率、低成本、低功耗等優(yōu)勢，并且使用授權(quán)頻道，由電信運(yùn)營商負(fù)責(zé)組網(wǎng)運(yùn)營，網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，逐漸成為了物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的首選[1-4]。特別是在燃?xì)獗砗退硇袠I(yè)，終端主要是采用電池供電，更換一次干電池需要能工作12個(gè)月以上，如果采用鋰電池供電，則要求一顆容量為8.5 Ah的鋰電池能工作10年(與燃?xì)獗淼氖褂媚晗尴嗤?，并且，一般都還要求每天至少連網(wǎng)通信一次。正是如此苛刻的能耗限制，使得NB-IoT技術(shù)在水、氣表行業(yè)應(yīng)用中脫穎而出。

本文介紹了一種基于NB-IoT通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼恼麄€(gè)應(yīng)用系統(tǒng)方案主要由燃?xì)獗斫K端、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、中國電信AEP平臺和燃?xì)獗順I(yè)務(wù)管理平臺4部分組成[5]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

中國電信AEP平臺是中國電信傾力打造的智能終端匯聚、應(yīng)用開發(fā)運(yùn)行服務(wù)和輕量級應(yīng)用服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)平臺。平臺具有終端接入、終端管理、消息推送、規(guī)則引擎和數(shù)據(jù)存儲等多種能力，同時(shí)提供了端到端的安全認(rèn)證和安全傳輸雙重保障機(jī)制，方便客戶對接智能終端，快速集成應(yīng)用。

燃?xì)獗斫K端利用NB通信模組與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建立連接，使用CoAP協(xié)議經(jīng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到AEP平臺，再由AEP平臺使用HTTPS協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到燃?xì)獗順I(yè)務(wù)管理平臺。

方案中的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和AEP平臺為公共資源，由運(yùn)營商提供，燃?xì)獗斫K端和業(yè)務(wù)管理平臺需要自主開發(fā)，本文主要研究燃?xì)獗斫K端。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗斫K端的主要功能是采集計(jì)量燃?xì)獾氖褂昧?，上傳氣量?shù)據(jù)及表具內(nèi)狀態(tài)數(shù)據(jù)到業(yè)務(wù)管理平臺系統(tǒng)，同時(shí)接受平臺系統(tǒng)下發(fā)的查詢、校時(shí)、閥門控制等指令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成燃?xì)庥?jì)量收費(fèi)及管控的功能需求。

本系統(tǒng)以高性價(jià)比和超低能耗完美兼得的單片機(jī)瑞薩R7F0C004作為主控MCU，其內(nèi)部高速振蕩器系統(tǒng)時(shí)鐘可高達(dá)24 MHz，片內(nèi)具有128 KB代碼Flash、2 KB數(shù)據(jù)Flash和8 KB RAM，數(shù)據(jù)Flash可用于存儲燃?xì)獗淼倪\(yùn)行數(shù)據(jù)，代替外部EEPROM存儲器。系統(tǒng)的主要功能模塊包括NB通信模塊、紅外近程通信模塊、蜂鳴器模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、LCD顯示模塊、電源及電壓檢測模塊、閥門驅(qū)動模塊、膜式燃?xì)獗怼⒚}沖計(jì)量采集模塊等[6-7]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.2 NB通信模組電路設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硗ㄟ^NB通信模組連接上NBIoT網(wǎng)絡(luò)，再與業(yè)務(wù)管理平臺系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，完成燃?xì)庥?jì)費(fèi)及表具管控等業(yè)務(wù)。本設(shè)計(jì)選用深圳廣和通公司的N700-58通信模組，N700-58是一款高性能、低功耗的窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組，符合3GPP R13和R14標(biāo)準(zhǔn)，支持Band5和Band8頻段，內(nèi)嵌TCP、UDP、CoAP、MQTT等多種協(xié)議棧，方便終端應(yīng)用開發(fā)。

MCU使用串口與NB通信模組進(jìn)行連接通信，由于NB通信模組的端口電壓是1.8 V，而MCU的端口電壓是3.3 V，故需要使用三極管做一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路才能正常通信。NB通信模組電路如圖3所示。

圖3 NB通信模組電路

2.3 閥門驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

兩線直流電機(jī)閥是目前智能燃?xì)獗碇惺褂米顬閺V泛的一種閥門，價(jià)格便宜且實(shí)用可靠。開(關(guān))閥門的始動電流一般在150~300 mA之間，正常行程的電流在20 mA左右，而開(關(guān))到位后的堵轉(zhuǎn)電流卻與始動電流一樣大，如果閥門進(jìn)入堵轉(zhuǎn)階段后不及時(shí)停止轉(zhuǎn)動，持續(xù)的大電流消耗對整個(gè)系統(tǒng)的供電是一個(gè)挑戰(zhàn)，很容易造成系統(tǒng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用AT9110A芯片驅(qū)動閥門，芯片的工作電壓范圍為2.5 V~18 V，連續(xù)電流輸出能力為800 mA，完全滿足驅(qū)動閥門的需求。在電路中再加上一路AD檢測，可檢測到正常行程階段與堵轉(zhuǎn)階段的電壓值變化，從而判斷出閥門開(關(guān))是否已到位，及時(shí)控制閥門停止轉(zhuǎn)動。閥門驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 閥門驅(qū)動電路

MCU輸出高電平到ValveC1端口，同時(shí)輸出低電平到ValveC2端口，或輸出電平相反，實(shí)現(xiàn)電機(jī)馬達(dá)M1的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)閥門的打開或關(guān)閉。在閥門執(zhí)行動作的過程中，每間隔10 ms通過ValveCHK端口檢測一次電壓，以判斷閥門是否已執(zhí)行到位，進(jìn)入了堵轉(zhuǎn)階段。

2.4 紅外通信電路設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼纳a(chǎn)和測試階段，需要有一種簡單方便的方法對燃?xì)獗淼倪\(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置，另外，對于已經(jīng)安裝使用的燃?xì)獗?，如果發(fā)生故障不能連網(wǎng)了，上門維修的人員也需要有一種方法在不拆表的情況下，就能讀取表具內(nèi)的信息，分析出故障原因并修復(fù)。居于這兩方面的需求，成本低廉的紅外近程通信技術(shù)成為了首選。圖5是紅外通信的電路，圖中IR_TX和IR_RX連接MCU的串口引腳，當(dāng)需要進(jìn)行紅外通信時(shí)，連接IR_VCTR的引腳置低電平，給紅外通信電路供電并工作。

圖5 紅外通信電路

2.5 計(jì)量采集電路設(shè)計(jì)

把兩個(gè)可配置為中斷模式的I/O引腳作為計(jì)量數(shù)據(jù)采集端口，端口電平外部上拉到VDD(3.3 V)。計(jì)量干簧管S1和S2安裝在膜式燃?xì)獗碛?jì)數(shù)器末位數(shù)輪(裝有一個(gè)磁鋼)的上下兩端，當(dāng)使用燃?xì)鈺r(shí)，末位數(shù)輪轉(zhuǎn)過一圈，磁鋼把S1和S2先后各吸合一次，拉低采集端口的電平，從而產(chǎn)生中斷，MCU收到兩路中斷，表明燃?xì)庥窒M(fèi)了0.01 m3。計(jì)量采集電路如圖6所示。

圖6 計(jì)量采集電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗斫K端的控制系統(tǒng)軟件，按層次結(jié)構(gòu)可劃分為主程序、中斷服務(wù)程序和功能模塊子程序三種組成部分[6-7]。中斷操作包括按鍵中斷、干簧管計(jì)量中斷和定時(shí)器中斷等，中斷服務(wù)程序僅做一些簡單的條件判斷和標(biāo)志中斷事件的發(fā)生。功能模塊子程序主要有定時(shí)器操作模塊、燃?xì)庥?jì)量模塊、蜂鳴器提醒模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、LCD顯示模塊、電機(jī)閥控模塊、紅外近程通信模塊、NB網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電壓檢測和掉電處理模塊等。軟件采用C語言進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)平臺使用Renesas CS+for CC集成開發(fā)環(huán)境。

3.2 數(shù)據(jù)報(bào)文定義

數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性需要合理的通信協(xié)議。其中，協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文部分，本文根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)需要，采用自定義方式對數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行定義。報(bào)文幀由幀起始符、數(shù)據(jù)長度、指令I(lǐng)D、信道標(biāo)志、指令數(shù)據(jù)域、檢驗(yàn)碼和幀結(jié)束符組成，具體的報(bào)文定義如表1所示。

表1 報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

通信傳輸時(shí)，還需要將報(bào)文幀包經(jīng)由CoAP協(xié)議打包后再傳輸[8]。報(bào)文幀中的指令I(lǐng)D字段，作為一次指令傳輸?shù)奈ㄒ粯?biāo)識，由指令發(fā)起方生成，應(yīng)答方則是直接返回相同值，表明該數(shù)據(jù)包是對某一指令的應(yīng)答幀。指令數(shù)據(jù)域則是按不同的業(yè)務(wù)指令定義其數(shù)據(jù)格式，指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如表2所示。

表2 指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信及低功耗設(shè)計(jì)

NB網(wǎng)絡(luò)通信的低功耗特性依賴于其工作機(jī)制的兩種低功耗模式：PSM省電模式和eDRX擴(kuò)展非連續(xù)接收模式[9-11]。NB通信模組的耗電流，在PSM模式下最低可低至5μA。不過，燃?xì)獗碓谡Ｊ褂玫那闆r下，每天僅主動連網(wǎng)一次與業(yè)務(wù)管理平臺服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，不需要實(shí)時(shí)在線。因此，燃?xì)獗淼腘B通信模組不需要進(jìn)入低功耗模式，每次需要通信時(shí)給NB通信模組供電，通信結(jié)束后斷電，這種方法比采用低功耗模式更加省電。

要進(jìn)行通信，首先初始化MCU與NB模組連接的串口，給NB模組供電，再拉低模組的POWER_ON引腳至少800 ms使模組開機(jī)。之后，MCU通過AT命令集與NB模組進(jìn)行交互與控制[12]，先后完成SIM卡身份認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)附著、申請IP地址、連接電信AEP平臺、發(fā)送接收數(shù)據(jù)等操作。表3是通信過程中使用的主要AT命令集。

表3 主要AT命令集

4 測試

4.1 NB通信測試

本文使用10臺NB物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗順訖C(jī)，結(jié)合電信AEP平臺和燃?xì)獗順I(yè)務(wù)管理平臺系統(tǒng)，對燃?xì)獗磉B接NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、上行發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器和接收服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試[13-14]。把燃?xì)獗砼渲脼槎〞r(shí)連接模式，每10 min主動連網(wǎng)一次，如果連網(wǎng)失敗，則在3 min后再重連一次，前5臺樣機(jī)使用全新的電池，后5臺樣機(jī)使用舊電池，4節(jié)舊電池的電壓在5.4~5.7 V之間，測試結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，只要連網(wǎng)成功(包括重連成功)，接下來的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都很順利。而連網(wǎng)失敗的，則集中在使用舊電池供電的5臺樣機(jī)，可能是電池的電壓已接近限制使用電壓值，無法保障短時(shí)間內(nèi)多次連網(wǎng)的電能需求。

表4 NB通信測試

4.2 能耗測試與分析

燃?xì)獗斫K端采用4節(jié)5號堿性電池供電，且更換一次電池需要可用12個(gè)月以上，產(chǎn)品才能被市場接受。所以，低功耗設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的一大重點(diǎn)。以下是各主要耗電部分的實(shí)測數(shù)據(jù)和分析：

(1)靜態(tài)電流。燃?xì)獗淼慕^大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，實(shí)測得其靜態(tài)電流為10μA。

(2)通信電流。每天連網(wǎng)通信一次，每次通信在30 s以內(nèi)完成，使用一臺安捷倫66319D程控電源測試通信過程，測得其平均工作電流為85 mA，把該工作電流再均攤到24 h，得出平均通信電流為29.51μA。

(3)脈沖計(jì)數(shù)電流。假設(shè)每天使用燃?xì)? m3，計(jì)數(shù)輪轉(zhuǎn)500圈，共產(chǎn)生1 000個(gè)脈沖。MCU處理每一脈沖大約需要10 ms，工作電流為3.8 mA。由此可計(jì)算得出平均計(jì)數(shù)電流為0.44μA。

(4)閥控電流。假設(shè)每月閥門開或關(guān)共6次(正常運(yùn)行的情況下為0次)，每次工作3 s，工作電流為50 mA。由此可計(jì)算得出平均閥控電流為0.34μA。

(5)其他耗電流。主要有大電容的漏電流、蜂鳴器和LCD等的耗電，平均耗電在3μA左右。

由此可得燃?xì)獗斫K端的平均耗電流為43.29μA。

為取得干電池的容量值，針對市面上常見的3種5號堿性電池做了放電測試，電壓從1.5 V降至1.275 V，其放出電量基本都在1 000 mAh左右。另外，考慮到電池自放電及其他因素，一般以可用電量的80%作為實(shí)際可用電量。因此，以800 mAh電量來計(jì)算，得出電池的使用年限為2.1年[15]：

5 結(jié)論

本文從系統(tǒng)軟件、硬件和低功耗等方面，詳細(xì)介紹了一種NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)方案。隨著NB-IoT技術(shù)的快速發(fā)展，以及我國三大電信運(yùn)營商的大力推廣，采用NB物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為水、電和氣表發(fā)展的主流方向。本文研究設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碚琼槕?yīng)發(fā)展趨勢，其市場前景廣闊，相信將會有非常好的商業(yè)價(jià)值。