基於NB-IoT的遠程抄表係統的設計與選型

 侯文莉

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：窄帶物聯網（NB-IoT）技術具有良好的室內(nei) 覆蓋性能和海量節點容納特點，利用NB-IoT 無線通信技術結合傳(chuan) 統蜂窩網絡改造水電煤公共服務抄表係統，使得物聯網技術的優(you) 勢能夠在公共服務領域得到很好的體(ti) 現，這正是物聯網時代惠及民生的意義(yi) 所在。設計一套基於(yu) NB-IoT無線通信模塊的遠程抄表智能監控係統，通過ARM處理器搭載BC95模組來實現無線遠程智能抄表硬件係統，可以代替繁重的人力抄表工作，節約大量人力資源，同時也具有顯著的經濟價(jia) 值和應用前景。

關(guan) 鍵詞:NB-IoT；抄表係統；ARM處理器；BC95模組

0引言

隨著物聯網技術的飛速發展，“智慧地球"的理念已深入人心，以物聯網技術為(wei) 核心的各種應用不斷刷新著人們(men) 的眼球，然而對於(yu) 和人民生活息息相關(guan) 的水電煤公共服務抄表係統卻仍處於(yu) 較為(wei) 落後的狀態，所以討論利用物聯網技術改造現代水電煤公共服務抄表係統的方

法。NB-IoT（窄帶物聯網）技術作為(wei) 3GPP R13引入的一個(ge) 新特性，具備良好的室內(nei) 覆蓋性能、支持大規模低數據吞吐量、超低功耗及低成本四大優(you) 勢。采用NB-IoT無線通信模塊進行智能電表、智能水表及智能氣表三表合一的采集，能夠有效解決(jue) 目前水電煤終端數據的人力采集和數據格式不統一等問題，同時還能夠有效融合地上地下通信、統一多表通信協議、提高數據傳(chuan) 輸速率及擴大係統通信容量，能夠簡化係統運行所需的中繼設備，降低運維成本，減少安裝空間，為(wei) 智慧水務、智慧燃氣及智慧供電提供遠傳(chuan) 抄表計量數據，進而更好地為(wei) 智慧城市建設提供服務。因此設計一種基於(yu) NB-IoT技術的多表合一的遠程抄表智能監控係統具有一定的現實意義(yi) 和經濟價(jia) 值。

1 係統方案設計

目前，短距離無線通信技術在低功率、廣域覆蓋為(wei) 特征的物聯網領域已經得到了廣泛應用，而窄帶物聯網（NB-IoT）技術在短距離無線通信技術中具有較強的優(you) 勢。窄帶物聯網比其他短距離無線通信（如WiFi）性能更加*，尤其是在大覆蓋、安全性及可靠性方麵更為(wei) 突出。本係統方案主要基於(yu) NB-IoT技術對居民生活水電煤信息采集終端的信息采集、信息傳(chuan) 輸以及狀態監控，其係統構成主要包括智能計費表、采集終端、NB-IoT基站及服務器。

其中，智能表及與(yu) 其連接的采集設備負責對用戶的水電煤信息進行采集並計量，計量信息通過Zigbee網絡以極低的功耗發送給NB-IoT基站進行數據匯總，NB-IoT基站連接服務器中心，將采集設備采集的智能表參數通過無線蜂窩網上傳(chuan) 至服務器中心。

2采集終端方案設計

采集終端是本係統的數據源頭，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(cong) 智能表被采集終端進行周期性采樣，並對數據進行打包，按照一定的發送周期進行數據的上傳(chuan) 。采集終端設備通過無線方式對智能計量表進行周期性數據采集，並通過窄帶物聯網技術以無線方式上傳(chuan) 至基站，因此采集終端本質上是一個(ge) 相對獨立的電子係統，具有超低功耗、睡眠喚醒工作模式智能切換等特點。

該硬件方案主要基於(yu)  STM32嵌入式處理器搭載NB-IoT無線通信模塊來構建，主要包含數據采集接口模塊、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是意法半導體(ti) 公司在2016年度新發布的基於(yu) “ARMCortex-M4"的低功耗 MCU“STM32L4係列"ARM處理器，CPU內(nei) 核的工作頻率為(wei) 80 MHz，在本項目中主要負責對數據采集、存儲(chu) 以及顯示等功能的調度和處理。

數據采集接口模塊主要用於(yu) 周期性獲取智能表的數據參數，采集模塊主要包含時鍾模塊、存儲(chu) 器單元、顯示電路及按鍵電路。采集裝置還包含AD/DC轉換電路，數據采集接口通過AD/DC轉換模塊將大電流模擬信號進行采樣和交直流轉換，並通過光耦進行信號的隔離，以有效避免在電磁環境複雜的工業(ye) 現場模擬信號對數字係統的幹擾，有效提高了係統的可靠性。

NB-IoT通信模塊采用上海移遠通信技術有限公司所生產(chan) 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，在低功耗模式下（PSW）電流消耗低至5μA，尺寸僅(jin) 為(wei) 23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，能限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產(chan) 品的需求，同時有效幫助客戶減小產(chan) 品尺寸，並優(you) 化產(chan) 品成本。BC95無線通信模塊主要將采集到的智能表數據按照NB-IoT無線數據協議打包並發送至NB-IoT基站。BC95模塊集成了豐(feng) 富的接口資源，包括簡潔方便的射頻接口、UART 串口，可以和STM32L433進行方便的數據通信。需注意，NB-IoT設備需要運營商網絡支持，所以硬件上必須有能和SIM卡進行數據交互的接口，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST及USIM_VDD等信號則是與(yu) SIM卡數據讀寫(xie) 相關(guan) 的信號。

電源模塊用於(yu) 提供整個(ge) 硬件係統所需電能。電源模塊主要由調壓模塊、恒流模塊、升壓模塊、整流模塊及微處理器模塊組成。其中，調壓模塊用於(yu) 調節三相電源的三相電壓；恒流模塊用於(yu) 將三相電源的三相電壓轉換成三相電流源；升壓模塊用於(yu) 將恒流模塊轉換的三相電流源進行升壓；整流模塊用於(yu) 對升壓後的電流源進行整流；微處理器模塊用於(yu) 根據整流模塊輸出的二次電流的大小調節所述調壓模塊。采集終端硬件係統是一個(ge) 較為(wei) 複雜的模擬數字混合係統，在實際調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(jue) 。

3 NB-IoT基站及服務器中心介紹

本項目中NB-IoT基站采用華為(wei) 公司基於(yu) 3GPPR13 Cat－NB 1標準開發的基站係統。該設備已經在2016年10月經過華為(wei) 公司和羅德與(yu) 施瓦茨公司共同完成基本測試成功驗證了空中接口技術和射頻性能。該基站係統采用eRAN 12.0無線版本及符合3GPP TS36.141標準的R＆S解決(jue) 方案，在係統聯調過程中與(yu) 采集數據模塊通信性能良好，同時也驗證了硬件設備在NB-IoT無線電通信協議規範下的通信可靠性和通信質量。遠程服務器中心主要是用作數據的雲(yun) 存儲(chu) 和遠程管理，在本項目中主要由移動運營商提供服務器運營和維護服務。

4安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電雲(yun) 平台

4.1 係統方案

係統為(wei) B/S架構，主要包括前端管理網站和後台集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352係列以及多用戶計量箱ADF300L係列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳(chuan) 閥控水表組成水電一體(ti) 預付費係統，達到先交費後用水的目的，剩餘(yu) 水量用完自動關(guan) 閥。

4.2 係統功能

AcrelCloud-3200預付費水電雲(yun) 平台由雲(yun) 平台-網關(guan) -預付費電能表組成，通過通信網絡完成係統到表的充值、查詢、監控、控製及短信報警等功能。
   本係統適用於(yu) 一些大集團和大物業(ye) ，往往需要將多個(ge) 物業(ye) 環境、分散於(yu) 各地的物業(ye) 集中式收費和管理，麵臨(lin) 著數據公網傳(chuan) 輸，財務操作分散，在線支付，總部財務紮口等複雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過網關(guan) 實時上傳(chuan) 到雲(yun) 平台，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預付費:可是查看某區域水表的實時狀態信息，並可以進行單表或批量設置水價(jia) 控閥等操作。

遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，並比對充值次數，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體(ti) 式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾(zhong) 號實現在線自助充值水電費，也可以實時關(guan) 注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

遠程控製:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一係列遠程控製操作，方便管理。

4.3 產(chan) 品選型

5結束語 

本文探討了一種基於(yu) NB-IoT無線通信模塊的遠程抄表智能監控係統的硬件部分。物聯網時代，利用關(guan) 鍵技術NB-IoT可以實現對人們(men) 生活息息相關(guan) 的水電煤計量係統的智能化管理，降低了人力資源成本。本文對遠程抄表智能監控係統的各組成部分進行了原理解釋，詳細介紹了嵌入式STM32L433及BC95射頻係統的電路結構，特別是對采集部分電路進行了重點介紹。本係統結合樣機調試測試的數據及錯誤進行了硬件電路的修改，並在下一版樣機研製過程中進行完善。

【參考文獻】

[1] 唐明軍(jun) .基於(yu) NB-IoT 的遠程抄表係統的硬件設計

[2] 何昌鴻，李星.基於(yu) NB-IoT遠程抄表設計研究[J].電子質量，2017，（12）：69-71，76.

[3] 安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06

作者簡介：侯文莉，女，現任職於(yu) 安科瑞電氣股份有限公司，主要從(cong) 事宿舍安全用電研究發展。