基于NB-IoT 技術無線計費系統(tǒng)的設計研究

李中陽，黃君委，盧智穎，陳海棠

（浙江蒼南儀表集團股份有限公司，溫州325800）

為了解決環(huán)境污染問題，天然氣行業(yè)在我國政府的支持下，實現了快速發(fā)展。那些傳統(tǒng)的管理模式已經不適應或者約束了燃氣行業(yè)的發(fā)展步伐。而近些年興起的智能化、信息化、網絡化管理模式被廣大燃氣公司所接受和歡迎。特別是我國推出了“互聯網+”和“中國制造2025”戰(zhàn)略計劃之后，華為、中興和三大運營商等公司凍結了窄帶物聯網（NBIoT）核心標準[1]。又因NB-IoT 的功耗低、覆蓋范圍廣等特點，恰好解決了燃氣行業(yè)的易燃易爆和工商業(yè)燃氣表安裝位置差、或犄角旮旯或地下室信號弱等問題。因此，NB-IoT 技術被迅速地應用于燃氣行業(yè)的計量表具和計費管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設計

隨著我國物聯網的蓬勃發(fā)展，智能手機的快速普及，在城市燃氣的智能化、信息化、網絡化應用也迅速鋪開。本文研究的課題就是一種典型的應用案例。其應用NB-IoT 技術作為網絡數據傳輸的手段，將燃氣表具與計費管理平臺相連，實現了燃氣表的智能控制和自動貿易結算，通過它可以實現燃氣表的遠程開戶、無線集抄、空中充值、遠程控閥和遠程調價等功能。并結合當前發(fā)達的第三方支付體系，如微信、支付寶、網銀和信用卡等，可以讓燃氣用戶像購買其它普通商品一樣，動動手指頭就能用上天然氣。其系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 無線計費管理系統(tǒng)框架結構圖Fig.1 Framework structure diagram of wireless billing management system

本系統(tǒng)主要由物聯網燃氣表和計費管理系統(tǒng)組成。物聯網燃氣表主要包括NB-IoT 通信模塊、電子計量模塊、切斷閥和基表；計費管理系統(tǒng)主要包括計費模塊、采集模塊、基礎數據和第三方支付模塊等。而本文側重介紹物聯網燃氣表與計費管理系統(tǒng)的NB-IoT 技術和系統(tǒng)的計費模塊。

2 軟硬件設計

2.1 NB-IoT 技術

窄帶物聯網（NB-IoT）是物聯網領域一種新興的技術，它支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接[2]，也叫作低功耗廣域網（LPWAN）。它可以通過對現有4G LTE 系統(tǒng)的空口物理層及高層、 接入網及核心網進行改進和優(yōu)化[3]，簡化結構和升級軟件程序來構建其網絡。其具有部署靈活、功耗低、覆蓋范圍廣、接入量大、成本低等特點。它既可以在LTE 頻帶外單獨部署，也可以在LTE 邊緣頻段部署，還能在LTE 頻段內部署[4]。其采用節(jié)能模式設計，對于實時性通信要求不高的設備，一般采用數據打包模式，將數據存儲在燃氣表中，然后每天定時上傳一次，使得終端設備99%時間都處于深度休眠狀態(tài)，功耗僅為15 μA，一節(jié)電池可以使用10 年，這是物聯網燃氣表選擇它作為無線通信網絡的重要原因。還有另外一個重要的原因就是NB-IoT 信號覆蓋范圍廣，它的MCL（最大耦合路損）可以達到164 dB，在GSM 基礎上覆蓋增強20 dB[5]，對于解決安裝位置較差的燃氣表的無線通信問題起到很大的作用。再加上網絡改造成本和終端芯片成本都比較低。因此，對于物聯網燃氣表有極大的誘惑力。

2.2 NB-IoT 通信模塊設計

物聯網燃氣表是一種具備物聯網功能的燃氣氣體體積計量器具，其主要包括無線通信、計量、閥控和貿易結算等功能。為了產品生產、使用、維護的方便性、通用性和靈活性，我司引進了模塊化設計理念，將各功能采用獨立模塊設計，其中通信功能也被設計為獨立的NB-IoT 模塊，與主板之間采用標準RS232 接口TTL 電平連接。

NB-IoT 通信模塊是燃氣表與計費管理系統(tǒng)的連接紐帶，其通過無線電波將二者實現通信。其主要包括NB-IoT 模組芯片、MCU、存儲器、DC/DC 轉換芯片、天線、SIM 卡等。其總體結構如圖2 所示。

圖2 NB-IoT 通信模塊總體結構圖Fig.2 Overall structure diagram of NB-IoT communication module

其整體采用低功耗設計，MCU 選用MSP430 低功耗芯片，可以支持電源完全切斷或處于深度睡眠（PSM）狀態(tài)。為了網絡通信協議兼容性更強，選擇了多模的中移物聯NB-IoT 模組M5311，其支持TCP、UDP、CoAP、LWM2M、HTTP、MQTT、TLS 等多種協議[6]，可以滿足不同的網絡需求。

一款優(yōu)秀的物聯網燃氣表不僅僅有硬件支撐，更重要的是實現豐富的數據傳輸、遠程控制、物聯網等功能的軟件設計，如參數讀寫、無線抄表、遠程開戶、遠程充值、遠程調價、遠程控閥、遠程讀取價格信息、遠程修改系數等功能。雖然M5311 支持多種協議，但在該課題中為了通信的兼容性和穩(wěn)定性，選用了TCP/IP 網絡協議[7]為無線通信主協議，通信模式采用主動上報工作模式，以通信模塊為Socket Client 端，計費管理平臺為Socket Server端，由設備端發(fā)起撥號鏈接，與服務端建立通信信道實現無線通信。NB-IoT 模塊無線通信流程如圖3所示。

圖3 NB-IoT 模塊無線通信流程Fig.3 Flow chart of NB-IoT module wireless communication

2.3 計費功能設計

互聯網購物、互聯網繳費已司空見慣，而物聯網購氣還是新興事物。本計費管理系統(tǒng)結合物聯網燃氣表的NB-IoT 模塊的無線通信功能，再加上無線通信過程中的加解密體系和第三方支付功能如微信、支付寶、信用卡、網銀等，實現了燃氣用戶的自助式物聯網購氣功能。其加解密體系采用3DES+MAC 加密方式[8]，MAC 算法是一種非對稱不可逆算法。計費系統(tǒng)和物聯網燃氣表通信之前，必須事先預置一組16 字節(jié)Hex 碼的密鑰和一組8 字節(jié)Hex 碼的加密因子，用于充值命令和應答命令的加解密。本系統(tǒng)在計費模塊中設計了離線充值和在線充值兩種模式。前者為用戶充值后，計費系統(tǒng)將用戶充值信息先存儲在費用結算數據庫，等下次建立無線通信時，計費系統(tǒng)會從數據庫讀取原先的充值信息并進行MAC加密，然后通過無線通道下發(fā)給NB-IoT 模塊，其接收到加密數據后，轉發(fā)給燃氣表的ESAM 模塊進行解密[9]和充值過程驗證及存儲，然后發(fā)送應答命令給NB-IoT 模塊，其響應給計費系統(tǒng)，從而完成整個購氣過程如圖4 所示；后者為用戶充值時，直接將充值信息加密后輸送到物聯網燃氣表，其它過程同上。

圖4 物聯網購氣流程圖Fig.4 Flow chart of internet of things purchasing

3 實驗結果

本課題設計的工商業(yè)物聯網燃氣表支持3 種供電模式：鋰電池供電、太陽能供電和外電源供電。太陽能供電與外電源供電性質一致，可視為1 種，即實時在線模式。因此，本實驗選用鋰電池供電和外電源供電2 種模式，分別對應了物聯網充值的離線充值和在線充值。

本實驗選用了10 臺物聯網燃氣表樣機、10 只本安電源、10 張SIM 卡，結合無線計費管理系統(tǒng)，分別進行了離線充值和在線充值實驗，每臺樣機每種充值方式各進行10 次。其結果如表1、表2 所示。

表1 離線充值實驗結果數據表格Tab.1 Data of offline recharge experiment results

表2 在線充值實驗結果數據表格Tab.2 Data of online recharge experiment results

由上表可知，兩次實驗的最終充值成功率為100%，效果非常好，達到設計預期要求。但無線通信傳輸數據過程中還是存在部分重發(fā)現象，由于無線通信本身不穩(wěn)定、 數據丟包等情況和設備自身特性，也影響重發(fā)率的高低。重發(fā)率計算公式如下：

式中：R 為無線通信重發(fā)率，即補發(fā)次數與通信總次數比率；T補為補發(fā)的通信次數；T總為通信總次數。

根據上文表1、表2 數據代入式（1）得，離線充值重發(fā)率R離=6.5%，在線充值重發(fā)率R在=4.8%，從兩次實驗的重發(fā)率分析，在線充值的重發(fā)率略低，分析原因有兩點：

（1）供電電量足：在NB-IoT 模塊啟動無線通信撥號，需大功率電流放電，因此需要充足電源供電。外電源供電電量足，有源源不斷的能量給無線模塊供電，而電池相對而言，供電能力相對弱點。

（2）數據不擁堵：由于外電源供電同臺樣機的無線通信前后兩包間隔時間長，通信過程中數據串包機會少，計費系統(tǒng)處理數據時間充裕，數據并發(fā)處理概率也低；電池供電為了節(jié)約電能，兩數據包間隔時間相對短些，串包和并發(fā)概率略高。

因此，物聯網充值兩種模式都能滿足用戶需求，但從重發(fā)率角度上分析，在線充值的重發(fā)率更低點，有條件的用戶使用在線充值更理想。

4 結語

隨著網絡經濟的快速發(fā)展，物聯網充值計費是我國燃氣行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本課題研究的無線計費管理系統(tǒng)和物聯網燃氣表將會逐步取代傳統(tǒng)的基表和IC 卡表，其市場前景非常廣闊。對于NBIoT 技術的研究及在燃氣表中的應用和無線計費管理平臺的研發(fā)有著非常大的商業(yè)價值。