基于低功耗廣域網(wǎng)無線通訊技術(shù)的配電網(wǎng)監(jiān)測通信終端的設(shè)計與實現(xiàn)

韋盈釋 皮昊書 陳子涵 陳金鋒

摘 要：針對智能配電網(wǎng)應(yīng)用提出的通信需求，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種可滿足多傳感器，實現(xiàn)低功耗廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K。將內(nèi)核為ARM Cortex-M3的STM32作為主控芯片，采用海思公司設(shè)計生產(chǎn)的NB-IoT芯片作為通信芯片。經(jīng)實驗測試，該模塊具有收發(fā)速度快、性能穩(wěn)定、外形小巧、性價比高等優(yōu)點，滿足配電物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);低功耗廣域網(wǎng);窄帶物聯(lián)網(wǎng);通信終端;STM32;傳感器

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

隨著國家“智能電網(wǎng)”戰(zhàn)略的提出與推進(jìn)，各種類型的傳感器被廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)中，以提高配電網(wǎng)的工作效率與運行安全，大幅減少了系統(tǒng)運行維護(hù)的人力物力投入。由于配電設(shè)備設(shè)施數(shù)量龐大、運行環(huán)境復(fù)雜，相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備處于地下、半地下，且在線監(jiān)測系統(tǒng)需要有效的通信網(wǎng)絡(luò)支持，而原有的有線通信網(wǎng)絡(luò)部署成本高，可靠性、安全性較差，無線通信網(wǎng)絡(luò)距離受限，這些問題在一定程度上阻礙了配電物聯(lián)網(wǎng)的快速部署。本文針對這些問題，引入了低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)（Low Power Wide Area Network，LPWAN），采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了適用于配電網(wǎng)復(fù)雜環(huán)境的無線通信終端，支持各類在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效運行。

1 NB-IoT技術(shù)簡介

低功耗廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)主要包括兩種主流技術(shù)：一種是非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，主要有LoRa，Sigfox，ZigBee等短距通信技術(shù);另一種是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，主要采用NB-IoT技術(shù)[1]。非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)依靠用戶自身組網(wǎng)通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，一般呈星型結(jié)構(gòu)，基于非授權(quán)頻譜，通過兩級組網(wǎng)方案實現(xiàn)部署。而3GPP給運營商制定的物聯(lián)網(wǎng)解決方案即NB-IoT，其主要技術(shù)特點為超窄帶、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議精簡、可重復(fù)傳輸?shù)龋捎脿奚糠忠苿有?、速度、時延等性能的方法，使其具有面向LPWAN物聯(lián)網(wǎng)的承載能力，優(yōu)勢是覆蓋廣、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。NB-IoT基于授權(quán)頻譜、依托運營商豐富的網(wǎng)絡(luò)運維經(jīng)驗，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性更高、傳輸安全性更強，網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)問題易于解決，終端即插即用，降低了業(yè)務(wù)部署門檻[2]。

NB-IoT被設(shè)計用于低功耗/長待機、深覆蓋、大容量、移動性較弱的低速率業(yè)務(wù)。這些特點能滿足非實時的配電網(wǎng)在線監(jiān)測應(yīng)用，尤其適合靜態(tài)、非連續(xù)移動和對時延并不敏感的業(yè)務(wù)場景。目前已經(jīng)部署的應(yīng)用項目包括智能電表、水表、壓力表、流量計、水質(zhì)儀表、智能消火栓、智能井蓋等[3]。

2 硬件設(shè)計

2.1 通信終端總體設(shè)計

終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。系統(tǒng)控制核心由STM32L152CBT6及其外圍電路組成，可實現(xiàn)對各個模塊的協(xié)調(diào)控制與數(shù)據(jù)的處理、加密及與NB-IoT模塊通信。隔離型485通信模塊與主控連接，進(jìn)行485總線數(shù)據(jù)通信。存儲模塊通過I/O總線與主控相連。NB-IoT模塊通過專用網(wǎng)與管理中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并通過數(shù)據(jù)加密模塊實現(xiàn)加密通信。

2.2 MCU模塊系統(tǒng)主控芯片采用意法半導(dǎo)體設(shè)計生產(chǎn)的超低功耗STM32L152CBT6，這款MCU（微處理器）基于ARM Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計，擁有128 KB FLASH和16 KB SRAM，主頻率最高可達(dá)32 MHz，待機模式電流最低約0.9 μA，I/O數(shù)量為37，可以支持的外設(shè)包括Brown-out Detect/Reset，DMA，I2S，LCD，POR，PWM和WDT。外設(shè)通信接口包括USB，USART，SPI和I2C，性價比高，適用于此場景。

2.3 NB-IoT模塊

NB-IoT模塊采用上海移遠(yuǎn)通訊技術(shù)公司設(shè)計生產(chǎn)的BC28。BC28基于華為海思芯片開發(fā)，可支持的頻段為 B1/B3/B5/B8/B20/B28，在multi tone模式下最大上行速率可達(dá) 62.5 kbps。BC28是一款性能優(yōu)越、緊湊、耗能較低的多頻段NB-IoT無線通信模塊，其尺寸為17.7 mm×15.8 mm×2.0 mm，能最大限度滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，適合非實時監(jiān)測設(shè)備和通信終端。BC28 NB-IoT模塊接口電路簡圖如圖2所示。

2.4 數(shù)據(jù)加密模塊

為滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全認(rèn)證的應(yīng)用需求，選用上海動信微電子公司設(shè)計生產(chǎn)的DX82物聯(lián)網(wǎng)加密芯片，該芯片采用對稱標(biāo)識認(rèn)證體系，同域設(shè)備間只需知道標(biāo)識即可完成相互的鑒別認(rèn)證和加密數(shù)據(jù)傳輸，無需建立復(fù)雜的密鑰管理中心，主機完成流程控制和數(shù)據(jù)傳輸，兼容接口標(biāo)準(zhǔn)I2C，SPI協(xié)議。

每顆芯片均通過wafer制造定制唯一的ROM SN序列號，內(nèi)置56 bit OTP用戶UID，支持寫入手機號、QQ號等，不僅可以規(guī)范產(chǎn)品編號，方便生產(chǎn)、出貨、竄貨管理，同時也便于產(chǎn)品接入物聯(lián)網(wǎng)或者移動互聯(lián)網(wǎng)。64 bit芯片配置有密鑰可對用戶進(jìn)行認(rèn)證，采用國際通用SHA1算法可實現(xiàn)Host Anti-Clone認(rèn)證，密鑰長度為128 bit。DX82物聯(lián)網(wǎng)加密芯片加密原理如圖3所示。

2.5 RS 485收發(fā)器模塊

RS 485收發(fā)器模塊ADM2587E采用isoPower集成隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以設(shè)置在半雙工或全雙工模式下，封裝形式為20引腳寬體SOIC，管腳可以兼容，工業(yè)溫度范圍為額定的工作溫度范圍（-40～+85℃），同時具備±15 kV ESD保護(hù)功能的集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，非常適合在多點傳輸線路上進(jìn)行高速通信。該器件為均衡傳輸線路而設(shè)計，符合ISO 8482：1987（E）和ANSI TIA/EIA-485-A-98標(biāo)準(zhǔn)。它采用來自ADI公司研發(fā)的iCoupler技術(shù)，在單個封裝內(nèi)集成了一個三態(tài)差分線路驅(qū)動器、一個三通道隔離器、一個isoPower DC/DC轉(zhuǎn)換器和一個差分輸入接收器。該器件采用5 V/3.3 V單電源供電，實現(xiàn)了完全集成的信號和電源隔離RS 485解決方案，滿足該通信終端的需求[4]。ADM2587E電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 MCU底層配置

為實現(xiàn)MCU與NB-IoT通信、加密和其他模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的加密和傳輸功能，在搭建的實驗平臺上將需要用到的庫函數(shù)和相關(guān)配置文件添加到指定位置，之后配置中斷控制器、系統(tǒng)時鐘、輸入輸出的GPIO以及相應(yīng)串口。需對照原理圖編寫，根據(jù)芯片對各模塊進(jìn)行配置[5]。

開發(fā)環(huán)境搭建好后，開始配置端口參數(shù)。首先設(shè)置串口傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?15 200，字長為8位，l位停止位，無校驗位。在對串口初始化后，打開串口的中斷響應(yīng)函數(shù)，完成串口配置。中斷控制器的配置：開啟USART全局中斷，使能串口再初始化。

3.2 通信功能的實現(xiàn)通信功能的實現(xiàn)主要涉及AT命令和串口的讀寫。AT命令是主控芯片STM32和BC28之間的通信協(xié)議，完成對BC28的控制，串口命令是主控與傳感器之間的通信協(xié)議。通信功能實現(xiàn)流程：

（1）系統(tǒng)初始化完成后檢查采集指令，若無采集指令則進(jìn)入休眠節(jié)電狀態(tài)，若有，則打開I/O采集傳感器數(shù)據(jù);

（2）數(shù)據(jù)采集完成后，與加密模塊交換數(shù)據(jù)并加密;

（3）加密完成后，檢查BC28是否正常開通，若未正常開通，則進(jìn)入等待，若正常開通則啟動通信;

（4）數(shù)據(jù)通信完成后，檢查是否有新的采集指令，這一過程循環(huán)進(jìn)行。系統(tǒng)通信流程如圖5所示。

4 測試效果

終端開發(fā)完成后，團(tuán)隊利用中國電信的測試卡進(jìn)行了室內(nèi)和室外測試，分別將終端放置于地下電纜溝及地下室內(nèi)，同時接入溫度、濕度和局部放電傳感器進(jìn)行測試。采集和通信時間間隔分別設(shè)定為10 s，60 s，300 s，對信號的穿透性、準(zhǔn)確性、一致性進(jìn)行了統(tǒng)計，與其他無線通信方式（ZigBee，GPRS）相比，發(fā)現(xiàn)此終端在其他無線通信方式丟失部分或全部數(shù)據(jù)的情況下，仍保持較高的數(shù)據(jù)通信質(zhì)量，實現(xiàn)了高等級的數(shù)據(jù)加密，且耗費電能更少。因此，本文提出的通信終端能很好地滿足配電物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的需求。

5 結(jié) 語

本文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的配電網(wǎng)監(jiān)測通信終端將STM32作為主控芯片，結(jié)合NB-IoT芯片與加密芯片等，實現(xiàn)了各類傳感器數(shù)據(jù)的廣域網(wǎng)通信。經(jīng)多次對比測試，本終端具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點。同時，本設(shè)計采用了成本較低、適應(yīng)高壓電力環(huán)境的芯片和模塊，市場競爭優(yōu)勢明顯，在配電物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域極具推廣價值，將大幅減少電力系統(tǒng)的運營成本，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙靜，蘇光添.LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].移動通信，2016（21）：50-57.

[2]楊天翼.低功耗無線廣域網(wǎng)技術(shù)在油田數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用模式探討[J].通信技術(shù)，2017（8）：1841-1848.

[3]陳永波，湯奕，艾鑫偉，等.基于LPWAN技術(shù)的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)[J].電信科學(xué)，2017（5）：143-152.

[4]林長勇.基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].信息與電腦，2017（17）：167-169.

[5]趙元，張力方，邢宇龍，等.NB-IoT技術(shù)評估及組網(wǎng)方案研究[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2017（8）：40-45.

[6]陳淘，劉利兵.大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（4）：54-55.

[7]呂遠(yuǎn).基于LoRa通信的無線報警系統(tǒng)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2018（5）：71-74.

[8]賈榮媛.窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境下安全機制研究[J].蘇州：蘇州大學(xué)，2018.

[9]楊曉鳴，田遠(yuǎn)勤.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)及其應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（10）：77-79.

[10]孫嚴(yán)智，胡勁松，劉宇明，等.低功耗廣域配用電通信系統(tǒng)架構(gòu)與軟件設(shè)計[J].信息通信，2018（2）：160-162.