基于MQTT的NB-IOT云控電表方案設(shè)計(jì)

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司 郭志彪

0.引言

電表是電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和顯示的任務(wù)，國(guó)內(nèi)通常將采用微處理器的電子式多功能電能表定義為智能電表。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)電表的功能提出了更高的要求：不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)原始電能數(shù)據(jù)的采集、計(jì)量和顯示，還將通信功能（采用ZigBee、GSM/GPRS、3G/4G、電力載波等通信技術(shù)）引入到智能電表中，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)信息的傳輸，在電力公司、用戶和電表三者間的交互數(shù)據(jù)，除了讓電力用戶能及時(shí)、準(zhǔn)確地了解其用電信息以外，還要幫助用戶降低用電成本、優(yōu)化用電方案、實(shí)施能效管理。

文獻(xiàn)[1]提出了一種基于3G通信的物聯(lián)網(wǎng)電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，由多個(gè)智能電表與電力管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)電力公司、電力用戶、電表三者間的多方數(shù)據(jù)交互，但方案并沒(méi)考慮3G通信成本的攤銷(xiāo)模式、以及如何實(shí)現(xiàn)在大規(guī)模分布式部署情況下后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心的高可用性。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于GSM和ZigBee的智能電表的研制，該表可以測(cè)量能量并將信息發(fā)送給服務(wù)提供商，服務(wù)提供商可以通過(guò)SMS消息和互聯(lián)網(wǎng)提醒最終用戶，以達(dá)到在沙特阿拉伯日益增長(zhǎng)的電能需求背景下，起到降低整個(gè)社會(huì)能耗的效果。

本文提出一種MQTT協(xié)議、NB-IOT和云端控制的智能電表方案，不僅實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電表運(yùn)行狀態(tài)，而且通過(guò)對(duì)用戶歷史用電信息的分析，幫助用戶進(jìn)行用電方案優(yōu)化、降低用電成本、實(shí)施能效管理。

1.整體方案設(shè)計(jì)

該智能電表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電腦或手機(jī)、云服務(wù)器、智能電表組成。智能電表采集多達(dá)7種用電數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、相位、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、度數(shù)等物理量與云服務(wù)器進(jìn)行通信，按照MQTT通信協(xié)議將以上用電數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器中；電腦或手機(jī)可以登錄MQTT客戶端訂閱云服務(wù)器發(fā)送的電表當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息。本系統(tǒng)支持導(dǎo)出用電數(shù)據(jù)報(bào)表，通過(guò)對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和匯總，用戶可以看到詳細(xì)的用電曲線，為用戶采取節(jié)能措施提供建議。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 NB-IOT廣域物聯(lián)模組

NB-IOT通信模組采用BC95，支持中國(guó)移動(dòng)900MHZ等的不同細(xì)分型號(hào)，BC95原理圖如圖2所示。

圖1 整體方案框架

BC95的功耗如表1所示。

表1 -BC模塊耗流

綜合考慮到用戶體驗(yàn)、低功耗等因素，本應(yīng)用場(chǎng)景中，只有當(dāng)用電情況發(fā)生變化時(shí)，智能電表才發(fā)送用電數(shù)據(jù)至云服務(wù)器，大多數(shù)情況下NB-IoT模塊處于PSM睡眠狀態(tài)。

NB-IoT有以下特點(diǎn)：

1、功耗低：由表1可以看出NB-IoT模塊有三種工作狀態(tài)，在IDLE模式下典型電流值為6mA，在PSM模式下最大電流值為5uA。根據(jù)仿真計(jì)算，3Wh的電池每天發(fā)送200bytes的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)可使用7.5年。

圖2 -BC95芯片組原理圖

2、覆蓋廣：在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積擴(kuò)大100倍，增益20dB。對(duì)于高層住宅樓梯間、電表房等網(wǎng)絡(luò)條件不好的智能電表部署場(chǎng)合，NB-IoT比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)裝置更適合于部署。

3、大連接數(shù)： NB-IoT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。意味著用戶在一個(gè)不太大的空間，可以放置更多設(shè)備而互相之間不會(huì)有干擾。

4、低成本：?jiǎn)蝹€(gè)連接模塊的預(yù)期價(jià)格不超過(guò)5美元，甚至?xí)椭?美元。由于低功耗、大連接等特點(diǎn)，供電、通訊運(yùn)營(yíng)成本都比其他無(wú)線裝置便宜。

2.2 MCU主控與電量計(jì)量

由MCU與計(jì)量芯片共同構(gòu)成主控與電量計(jì)量模塊（如圖3），MCU采用STM32L151C8T6（如圖4），與核心的NB-IOT通信模塊連接。

圖3 主控與電量計(jì)量模塊

電能計(jì)量芯片采用高精度單相多功能免校準(zhǔn)芯片CSE7766（如圖3），該芯片工作電壓5V，無(wú)需搭建復(fù)雜的外圍元器件電路，支持IEC 687/1036標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)標(biāo)GB/T 17215，在1000:1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.2%。該芯片出廠時(shí)已經(jīng)校準(zhǔn)，客戶無(wú)需任何設(shè)置就可以通過(guò)串口直接讀取電壓、電流等相關(guān)參數(shù)。

圖4 MCU主控電路

2.3 電源設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)原理如圖5，采用的電壓器為220AC轉(zhuǎn)12VAC，整流橋?yàn)?0A 1000V，電容為100UF 6V 以及100UF 16V，穩(wěn)壓器為L(zhǎng)7805CV 三端穩(wěn)壓器5V。

圖5 電源電路圖

3.智能電表與云服務(wù)器通信設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

在智能電表終端，首先將UCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、LWIP協(xié)議棧以及MQTT源碼移植到STM32L151C8T6。LWIP作為UCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)運(yùn)行，應(yīng)用程序作為另一個(gè)單獨(dú)任務(wù)讀取電表數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收和處理的過(guò)程不會(huì)影響智能電表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電信息。

MQTT協(xié)議作為T(mén)CP/IP協(xié)議分層模型中應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)訂閱/發(fā)布機(jī)制和端到端的通信。發(fā)布／訂閱消息模式就是發(fā)布者和訂閱者兩個(gè)客戶端不直接交互數(shù)據(jù)，而是通過(guò)MQTT協(xié)議與MQTT消息代理者通信來(lái)實(shí)現(xiàn)間接交互消息，其中QoS表示發(fā)布的服務(wù)質(zhì)量。在本系統(tǒng)中，智能電表是消息發(fā)布者，云服務(wù)器就相當(dāng)于MQTT消息代理，智能電表將用電信息推送到云服務(wù)器，手機(jī)或電腦終端可以向云服務(wù)器發(fā)出訂閱請(qǐng)求以獲取消息。

智能電表程序運(yùn)行時(shí)，首先初始化UCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、LWIP協(xié)議棧和MQTT協(xié)議，建立MQTT連接之后發(fā)送包含狀態(tài)信息的MQTT報(bào)文，實(shí)現(xiàn)連接、發(fā)布、訂閱等功能。智能電表狀態(tài)信息內(nèi)容為“報(bào)文頭/設(shè)備ID/報(bào)文類型/狀態(tài)信息/時(shí)間戳”。設(shè)備ID用于區(qū)分智能電表終端，一個(gè)云服務(wù)器可以與多個(gè)智能電表終端通信，狀態(tài)信息報(bào)文以 30s/次的發(fā)送頻率發(fā)送，且QoS級(jí)別為0級(jí)。報(bào)文示例為：“R/sbid0003/STATUS/S1/00/S2/00/S3/00/S4/0/S5/0/S6/0/S7/0/20180528215900”，其中S1~S7表示電表運(yùn)行的7種參數(shù)：電壓、電流、相位、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、度數(shù)。

4.調(diào)試結(jié)果

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)，以移遠(yuǎn)LTE BC95模塊及中國(guó)移動(dòng)NB-IOT物聯(lián)卡（850MHZ頻段）來(lái)進(jìn)行原型測(cè)試，如圖6所示，測(cè)試結(jié)果顯示，NB-IOT平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為2-5秒之間。

圖6 NB-IOT調(diào)試界面

Mosquito是一款實(shí)現(xiàn)了MQTT V3.1協(xié)議的開(kāi)源消息代理軟件，支持可發(fā)布/可訂閱的消息推送模式。在電腦上可通過(guò)Mosquito_sub向云服務(wù)器訂閱指定主題的消息，云服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)保存所監(jiān)控的全部智能電表運(yùn)行狀態(tài)信息的消息，在電腦終端，用戶可通過(guò)登錄MQTT客戶端來(lái)查看智能電表歷史記錄和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

5.小結(jié)

本文基于MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)了一種成本低廉、穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能電表，其主要優(yōu)勢(shì)如下：

1、目前國(guó)內(nèi)部分智能電表采用RS485或Zigbee等無(wú)線方式來(lái)組網(wǎng)。其中RS485通信方式雖然成本略低，但組網(wǎng)的電表終端數(shù)量和范圍有限，且通信速度比較慢；而Zigbee等方式成本較高，且通信質(zhì)量不穩(wěn)定。本智能電表方案采用NB-IOT模塊，具有低功耗、大鏈接、廣覆蓋、低成本等優(yōu)勢(shì)。

2、本方案采用MQTT協(xié)議作為通信協(xié)議，為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的智能電表提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。MQTT協(xié)議使用發(fā)布/訂閱消息模式，使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合；其次，它有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量，可以避免消息丟失；再次，MQTT是小型傳輸，固定長(zhǎng)度的頭部只有兩個(gè)字節(jié)，只需要HTTP約 1/4的數(shù)據(jù)流量，可以降低網(wǎng)絡(luò)流量、節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。以上這些優(yōu)點(diǎn)使得本智能電表方案更穩(wěn)定可靠、成本低廉，推廣應(yīng)用前景更為廣泛。