基于Cat.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗采集器在城市燃?xì)庵械蛪赫{(diào)壓箱中的應(yīng)用設(shè)計

盧明浩

（北京順義燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，北京）

1 背景及現(xiàn)狀

近年來全國多地燃?xì)庑孤侗ㄊ鹿暑l發(fā)，特別是中低壓調(diào)壓箱，數(shù)量眾多，靠近用戶側(cè)，發(fā)生泄露爆炸事故時，可能會造成嚴(yán)重的人身傷害和財產(chǎn)損失，且普遍不具備市政電源接入條件，沒有納入監(jiān)控系統(tǒng)，處于監(jiān)控盲區(qū)，應(yīng)采取有效的監(jiān)控措施，保障中低壓調(diào)壓箱的運行安全。

2 目的和意義

為了滿足對中低壓調(diào)壓箱遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的可靠性需求，同時解決系統(tǒng)功耗高、數(shù)據(jù)傳輸安全性差等問題，本文結(jié)合低功耗技術(shù)、傳感器技術(shù)、Cat.1無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及中低壓調(diào)壓箱現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于Cat.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗采集器，構(gòu)建完善的中低壓調(diào)壓箱監(jiān)控系統(tǒng)，切實提高中低壓調(diào)壓箱運行的安全系數(shù)，有效保障天然氣用戶側(cè)的安全。其目的和意義在于：

（1） 適用于中低壓調(diào)壓箱的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控要求，實現(xiàn)對調(diào)壓箱進(jìn)出口壓力及天然氣濃度的實時監(jiān)控，確實提高無人值守站點運行安全水平，降低人工巡檢的人力、物力成本。

（2） 超低功耗技術(shù)，采用一次性鋰電池+外置電池供電模式，從采集器硬件電路設(shè)計、軟件功能設(shè)計、電源管理策略及外設(shè)傳感器選型等方面入手，不斷的降低電池放電電流及系統(tǒng)整體功耗，同時確保系統(tǒng)穩(wěn)定、連續(xù)運行。

（3） 數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)，將國密安全芯片集成于Cat.1 通訊模組中，構(gòu)建一體化的國密安全通訊模組，全面提升通訊數(shù)據(jù)的安全性。

（4） 與SCADA 系統(tǒng)的融合，采用Cat.1 通訊模式，利用已建SCADA 系統(tǒng)的通訊專網(wǎng)卡，實現(xiàn)采集器和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺的通訊，并將采集到的數(shù)據(jù)，并入SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合展示和應(yīng)用[1]。

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)需求分析

隨著傳感器技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及電池技術(shù)的迅速發(fā)展，目前低功耗智能終端設(shè)備已廣泛應(yīng)用于智慧能源、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域。本次設(shè)計的基于Cat.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗采集器，主要用于實現(xiàn)對無人值守、無市電供應(yīng)的中低壓調(diào)壓箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

通過對中低壓調(diào)壓箱監(jiān)控系統(tǒng)背景及現(xiàn)狀分析，采集器需要滿足的主要功能如下：

（1） 數(shù)據(jù)采集功能：進(jìn)出口壓力、天然氣濃度、環(huán)境溫度及電池電壓；

（2） 系統(tǒng)功耗：采用一次性鋰電池+外置電池供電，在內(nèi)置電池供電模式下，壓力、溫度、電池電壓采集周期為5 min，天然氣濃度采集周期為1 h，在上傳周期為20 min 模式下，通過軟、硬件低功耗設(shè)計和動態(tài)電源管理等手段，系統(tǒng)可以連續(xù)使用1.5 年以上；數(shù)據(jù)采集、上傳周期可設(shè)置；

（3） 通訊方式：4G-Cat.1 低功耗通訊模式，支持全網(wǎng)通；

（4） 數(shù)據(jù)存儲：5 min 一存儲，本地可連續(xù)存儲1 年以上歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可通過本地USB 口下載；數(shù)據(jù)存儲周期可設(shè)置；

（5） 防爆標(biāo)志：Exd ia II BT6；

（6） 防護(hù)等級：IP68；

（7） 工作溫度：-30 ℃～70 ℃。

3.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本次設(shè)計的基于CAT.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗數(shù)據(jù)采集器采用內(nèi)置一次性鋰電池+外置電池供電模式，通過MCU 完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、報警處理等功能，并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至調(diào)度中心工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，系統(tǒng)的組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的組成框圖

4 低功耗設(shè)計

采集器需長時間運行在無人值守的中低壓調(diào)壓箱內(nèi)，無市電接入，依靠內(nèi)置鋰電池+外置電池供電，實現(xiàn)對調(diào)壓箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了減少電池的頻繁更換，降低人工維護(hù)成本，系統(tǒng)從硬件電路設(shè)計、器件選型、電源管理、通訊模式和軟件功能等方面來不斷的降低系統(tǒng)功耗，滿足系統(tǒng)的功能需求[2]。

4.1 硬件電路設(shè)計

（1） MCU 單元

MCU 是采集器的核心控制單元，負(fù)責(zé)與系統(tǒng)各個功能模塊共同完成數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、傳輸、報警處理、人機(jī)交互等功能。本系統(tǒng)采用STM32 系列32位增強(qiáng)型STM32F103VCT6 芯片作為系統(tǒng)的MCU，該芯片是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的微控制器，最高工作頻率72MHz，具有待機(jī)、休眠、停止三種低功耗運行模式，2.0～3.6V 電壓供電，待機(jī)或停機(jī)模式下，功耗低至幾μA，通過低功耗RTC 芯片提供的精確時鐘源，定時喚醒，在完成數(shù)據(jù)的采集或上傳后立即進(jìn)入休眠模式，最大限度的降低整個系統(tǒng)的功耗。

（2） 供電單元

本次設(shè)計采用內(nèi)置3.7V19Ah 一次性鋰電池+外置電池為整個系統(tǒng)供電，由MCU 合理調(diào)度、靈活切換各功能模塊的供電，只在某個功能模塊調(diào)用前上電，完成工作后立即斷電，進(jìn)入休眠或停止模式。

設(shè)計選用SPX5205M5-L-3-3 型恒壓變壓器芯片，將3.7V 鋰電池電壓降為3.3V 為內(nèi)部各功能模塊供電，見圖2。

圖2 微功耗邏輯控制原理圖

（3） 信號采集單元

①I2C 或SPI 串行接口電路。調(diào)壓站壓力變送器普遍采用4-20 mA 輸出信號，功耗較大，本設(shè)計采用MPM3808 數(shù)字壓力傳感器，該傳感器采用3.3V 電壓供電，工作模式下供電電流2.5 mA,待機(jī)模式下供電電流可低至5 μA，支持標(biāo)準(zhǔn)I2C 接口協(xié)議或SPI 接口協(xié)議輸出，可以方便的接入MCU STM32F103VCT6芯片的SPI 或I2C 接口，配合軟件間接供電模式，可實現(xiàn)對壓力的低功耗采集。

②TTL 并行接口電路。調(diào)壓站濃度變送器普遍采用傳統(tǒng)的催化燃燒式，上電需先預(yù)熱后才能正常檢測，功耗較大，本次設(shè)計采用本安型激光甲烷傳感器，該傳感器采用激光光譜原理，響應(yīng)速度快，測量范圍大，測量精度高，支持TTL 通訊，額定功耗只有20 mA@ 3.3VDC，可實現(xiàn)對天然氣濃度的低功耗采集。

（4） 通訊單元

本次設(shè)計采用CAT.1 通訊模組作為無線傳輸模塊，實現(xiàn)采集器和調(diào)度中心工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的通訊；同時在CAT.1 通訊模塊內(nèi)集成國密級安全芯片，提高通訊數(shù)據(jù)的安全性。

4.2 軟件設(shè)計

軟件低功耗設(shè)計主要是通過控制各個功能模塊的工作喚醒和空閑休眠，控制數(shù)據(jù)的采集和傳輸時間來降低系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，見圖3。

圖3 軟件功能框圖

（1） 定時采集、集中上傳

通過設(shè)定數(shù)據(jù)采集、上傳周期，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的定時采集、集中上傳。

例如設(shè)定數(shù)據(jù)采集周期為1 h，上傳周期為24 h，采集器通過外設(shè)RTC 時鐘，每小時喚醒MCU 等功能模塊，完成對壓力、濃度、電池電量和工作溫度的采集和數(shù)據(jù)存儲，完成后立即進(jìn)入休眠模式，等待下一個采集周期；完成24 次采集后，MCU 調(diào)用CAI.1 通訊模組，通訊模組開啟上電撥號模式，和中心建立連接后將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位平臺，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后斷開通訊連接，采集器各功能模塊進(jìn)入休眠模式，等待下一個采集或上傳周期。

（2） 異常報警數(shù)據(jù)喚醒模式

除定時采集和上報外，還支持報警閾值設(shè)定，采集周期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)超限時，MCU 立即執(zhí)行CAT.1通訊子程序，將報警數(shù)據(jù)及時發(fā)送至上位平臺。

例如進(jìn)口壓力報警上限設(shè)定為1.5 Mpa，當(dāng)在任意采集周期內(nèi)采集到的進(jìn)口壓力超過1.5 Mpa 時,MCU 立即啟動CAT.1 撥號上傳程序，將數(shù)據(jù)及時上傳至上位平臺，見圖4。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖

5 CAT.1 國密安全通訊模組

5.1 CAT.1 通訊

Cat.1（全稱LTE UE-Category 1）是4G 通信LTE網(wǎng)絡(luò)下用戶終端類別的一個標(biāo)準(zhǔn)。其上行峰值速率5 Mbit/s，下行峰值速率10 Mbit/s，定位于面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場的一個類別。

在我國，隨著5G 建設(shè)高速推進(jìn)，2G、3G 退出舞臺已是大勢所趨，隨著2G 網(wǎng)絡(luò)的承載能力進(jìn)一步減弱，在新部署的物聯(lián)網(wǎng)連接中NB-IoT、4G 會逐步替代2G模組。相比NB-IoT，Cat.1 在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、速度和延時上均有優(yōu)勢；相比傳統(tǒng)的LTE Cat.4 模組，Cat.1 則擁有低成本和低功耗優(yōu)勢。同時，Cat.1 適配于當(dāng)前國內(nèi)的4G 網(wǎng)絡(luò)，非常適合運用在對性價比、時延性、覆蓋范圍、通信速度有要求的運用場景[3]。

5.2 CAT.1 國密安全通訊模組

目前，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩允怯脩粢恢币詠肀容^關(guān)注的重點，一般的解決方案是通過對報文軟加密處理或增設(shè)硬件加密芯片來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

本次設(shè)計的低功耗采集器采用國密級硬件加密芯片，不同于傳統(tǒng)的安全模塊旁掛模式，將國密級安全芯片集成于Cat.1 通訊模組中，采用安全模塊前置化串行結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一體化的Cat.1 國密安全通訊模組，具備標(biāo)準(zhǔn)的Cat.1 通訊能力，同時支持國密SM2/2/3/4/9 等算法，在模組中內(nèi)嵌密鑰分發(fā)，密碼運算能力，外部應(yīng)用通過AT 指令訪問Cat.1 模組的安全服務(wù)，可實現(xiàn)身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名驗證等功能,簡化通訊結(jié)構(gòu)的同時，有效降低通訊功耗。