基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)RTU管網(wǎng)終端的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

石英春, 陳春陽(yáng), 羅 嶼

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083;2.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410200)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和智慧水務(wù)建設(shè)的迫切需求,水司管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)逐漸取代了機(jī)械式計(jì)量和顯示,應(yīng)用到監(jiān)控系統(tǒng)中。常用的水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有壓力計(jì)、流量計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備,它們主要靠人工隔一段時(shí)間去抄讀,不僅工作量大,而且抄讀的數(shù)據(jù)不及時(shí),無(wú)法達(dá)到對(duì)管網(wǎng)問(wèn)題及早發(fā)現(xiàn)和處理的目的。而目前采用較多的智能化管網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備,利用數(shù)據(jù)集中器抄讀對(duì)應(yīng)的RS—485或M-Bus設(shè)備數(shù)據(jù)信息,通過(guò)以太網(wǎng)或通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)方式傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng),這種傳輸方式需要集中布線,覆蓋范圍小,增加了建設(shè)和維護(hù)成本,窄帶通信技術(shù)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備(remote terminal unit,RTU)管網(wǎng)終端技術(shù),相比現(xiàn)有以太網(wǎng)或GPRS通信技術(shù),具有大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗等特點(diǎn),能夠滿足水司管理的需要,成為管網(wǎng)智能化發(fā)展的主要趨勢(shì)[1,2]。

本文提出的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)RTU管網(wǎng)終端,通過(guò)采集模塊采集管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù),它兼容了RS—485和M-Bus兩種物理通信接口,使通用性更強(qiáng),并采用了通道選擇方式,降低微處理器的硬件端口資源;采用支持全網(wǎng)通的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of things,NB-IoT)通信方式,滿足客戶的個(gè)性化需求。將采集的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)通過(guò)基站傳輸?shù)剿静块T(mén)后臺(tái)服務(wù)中心,有利于管網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理,為后續(xù)的漏水分析提供依據(jù),降低水資源的浪費(fèi),提高了水司的管理水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自來(lái)水管網(wǎng)設(shè)備用來(lái)對(duì)供水主管道的水壓力、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、水質(zhì)pH值、狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、保存、顯示。這些設(shè)備一般都預(yù)留上行通信傳輸接口,包括M-Bus方式、RS—485方式,物聯(lián)網(wǎng)RTU終端首先采集管網(wǎng)設(shè)備的相關(guān)信息,通過(guò)NB-IoT傳輸方式,連接到基站,傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的云服務(wù)平臺(tái)。本設(shè)計(jì)采用支持電信的通信模組,上傳到天翼云平臺(tái),用戶通過(guò)后臺(tái)管理系統(tǒng),調(diào)用天翼云平臺(tái)的數(shù)據(jù),采集到的信息通過(guò)前臺(tái)界面顯示。具體的整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮硬件資源和功能需求,選用意法半導(dǎo)體的Cotex—M3為控制處理核心,功能模塊包括下行采集模塊設(shè)計(jì)、上行通信模塊設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)等部分組成,首先通過(guò)下行采集模塊RS—485總線或者M(jìn)-Bus總線抄讀管網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù),通過(guò)通道選擇單元選擇需要抄讀的通道,輸送到微處理器的串口1處;按鍵電路中,選用的磁敏按鍵及外圍電路,輸送到微處理器的GPIO口,用于在需要監(jiān)測(cè)上傳數(shù)據(jù)時(shí)使用;電源模塊電路首先輸入220 V交流電,通過(guò)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行整流、穩(wěn)壓,為系統(tǒng)提供電能;存儲(chǔ)器電路通過(guò)SPI總線與微處理器的SPI接口相連;通信模塊電路中首先通過(guò)通信電源控制電路將通信模塊的電源打開(kāi),通過(guò)微處理器的串口0與上行通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并讀取物聯(lián)網(wǎng)卡電路的卡號(hào)信息,通過(guò)天線與電信基站進(jìn)行通信[3～5]。其系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件

2.1 微處理器

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32系列芯片,具體型號(hào)為：STM32F205,ARM32位Cortex—M3 內(nèi)核,最大工作頻率120 MHz,最大1 MB的FLASH、128 kB的SRAM存儲(chǔ)器,帶有3個(gè)12位的微秒(μs)級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器,4個(gè)USART接口和2個(gè)UART接口[6,7]。

2.2 下行采集模塊

為了兼容管網(wǎng)設(shè)備的需求,設(shè)計(jì)了兩種采集通道,RS—485總線電路采集帶RS—485通信的監(jiān)測(cè)設(shè)備,M—Bus總線電路采集M—Bus通信的監(jiān)測(cè)設(shè)備[7～9],兩者均采用Modbus通信協(xié)議。

2.2.1 RS—485總線電路

電路采用光耦D16,D18隔離的方式,將內(nèi)部電路與外部電路進(jìn)行光電隔離,增加了電路的抗干擾性能。通過(guò)RS—485總線方式,來(lái)抄讀管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)信息保存在外部FLASH存儲(chǔ)器中,根據(jù)客戶設(shè)定的上傳數(shù)據(jù)時(shí)間點(diǎn),將數(shù)據(jù)通過(guò)上行通信模塊上傳到電信基站,傳輸?shù)教煲碓品?wù)平臺(tái)。如圖3所示,電路中輸出端串接的元件R100,R102,L15,L16,F2,F3,起過(guò)電流保護(hù),器件V38,V43,V40,V42,D17,F2,F3等,防止用戶誤接交流電源損毀內(nèi)部器件的作用。

圖3 RS—485總線電路

2.2.2 M-Bus總線電路

M-Bus總線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、布線方便、抗干擾能力強(qiáng)、總線無(wú)極性、可自供電、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在抄表系統(tǒng)中。它采用半雙工異步通信,傳輸速率：300～9 600 Bps之間。電路采用光耦隔離的形式,降低了內(nèi)外電路的干擾,保證了通信的可靠性。通過(guò)此電路,RTU終端可以抄讀到管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù),將抄到的數(shù)據(jù)信息保存在外部FLASH存儲(chǔ)器中,并根據(jù)客戶設(shè)定的上傳數(shù)據(jù)時(shí)間點(diǎn),將數(shù)據(jù)通過(guò)上行通信模塊上傳到電信基站,傳輸?shù)教煲碓品?wù)平臺(tái)。

2.3 上行通信模塊

上行通信模塊采用NB-IoT通信方式,采集小數(shù)據(jù)量,對(duì)時(shí)延不敏感的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備信息,具體采用華為內(nèi)核的移遠(yuǎn)模組BC28,它具有超緊湊、多頻段、高性能、低功耗的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)通的頻段,可選擇使用電信、移動(dòng)、聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò),其尺寸比前期的BC95更小,內(nèi)部帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能[8,9]。工作電壓VCC_NB 可使用范圍3.1～4.2 V,典型值3.6 V。此模塊由模組BC28、異步收發(fā)回路、物聯(lián)網(wǎng)卡回路、電源管理、射頻通信口組成,如圖4所示,在異步收發(fā)回路中串接了1 kΩ 的電阻,用于串口匹配電阻;在物聯(lián)網(wǎng)卡通信回路中,串接了22 Ω的電阻,保證讀取物聯(lián)網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的穩(wěn)定;電源管理,保證了低功耗時(shí),整機(jī)電源消耗最小;射頻通信口用于外接天線。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)通信接口電路

2.4 閃存存儲(chǔ)器模塊

存儲(chǔ)單元中采用大容量串行SPI 閃存(Flash)存儲(chǔ)芯片,克服以往采用帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)存儲(chǔ)的缺陷(EEPROM存儲(chǔ)容量小,價(jià)格高,寫(xiě)入時(shí)間長(zhǎng),寫(xiě)入慢的特點(diǎn)),可以存儲(chǔ)12個(gè)月以上的采集信息,根據(jù)需要把存儲(chǔ)的信息通過(guò)上行通信模塊傳送到主站系統(tǒng),供相關(guān)人員查詢備案,使抄讀的數(shù)據(jù)及時(shí)備份。串在SPI總線回路中電阻實(shí)現(xiàn)SPI總線的阻抗匹配。通過(guò)微處理器控制存儲(chǔ)芯片的電源,降低空閑時(shí)功耗。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化程序設(shè)計(jì)方案,將功能模塊單獨(dú)封裝,可讀性更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高。包括下行采集模塊(包括RS—485采集和M-Bus總線采集)、存儲(chǔ)模塊、上行通信模塊等幾大部分,采用自主開(kāi)發(fā)的改進(jìn)型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),將編譯好的程序,通過(guò)串行線調(diào)試(serial wire debug,SWD)四線制接口下載到微處理器中。程序過(guò)程：首先初始化微處理器的各管腳,對(duì)其相關(guān)寄存器進(jìn)行配置。隨后,系統(tǒng)與主站通過(guò)上行通信模塊進(jìn)行連接,進(jìn)行系統(tǒng)校時(shí),并接收主站下發(fā)的參數(shù)配置,如果連續(xù)連接3次都不成功,系統(tǒng)進(jìn)入下行抄表等待階段,當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的時(shí)間時(shí),對(duì)下行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)抄讀,并保存數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器中,等待是否到達(dá)上行發(fā)送時(shí)間間隔,當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí),上傳發(fā)送數(shù)據(jù)到主站,完成一個(gè)抄表循環(huán),期間如果抄讀時(shí)間間隔未到時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。具體流程圖如5所示。

圖5 RTU終端主流程

3.1 下行采集模塊

下行采集模塊主要負(fù)責(zé)RTU終端與管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信,支持M-Bus總線、RS—485總線兩種方式,首先進(jìn)行模塊初始化,查詢下行抄讀時(shí)間是否達(dá)到抄表間隔,當(dāng)?shù)綍r(shí)根據(jù)表號(hào)選擇傳輸通道類型,選取不同的通道,通過(guò)物理接口發(fā)下行幀,等待數(shù)據(jù)返回,解析返回的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。具體處理流程如圖6(a)所示。

3.2 上行通信模塊

上行通信模塊采用半雙工設(shè)計(jì),通過(guò)切換改變發(fā)送和接收模式,比全雙工所需的元件,成本更低,能耗更省。首先通過(guò)微處理器控制NB模塊上電,其進(jìn)入初始化階段,利用AT(attention)指令進(jìn)行模塊的一系列的判斷,來(lái)決定模塊是否進(jìn)行準(zhǔn)備就緒,包括查詢國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼(IMEI)號(hào)、物聯(lián)網(wǎng)卡號(hào)、模塊信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)信息,根據(jù)BC28模塊要求進(jìn)行組幀,完成數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后,模塊進(jìn)入低功耗模式,為保證模塊徹底斷電,通過(guò)微處理器將模塊電源斷開(kāi),整個(gè)終端的功耗最低,目前低功耗模式下,整機(jī)功耗可降到8 μA以下,圖6(b)為上行通信流程。

圖6 下行/上行通信流程

4 測(cè)試與結(jié)果分析

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)RTU管網(wǎng)終端開(kāi)發(fā)后,同時(shí)開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的辦公自動(dòng)化(office automation,OA)管理系統(tǒng)。終端設(shè)備在省內(nèi)湘西州水司進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試,至今已經(jīng)正常運(yùn)行超10個(gè)月。該終端上行采用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信方式,下行采用支持RS—485/M-Bus通信方式,采集管網(wǎng)的流量、壓力數(shù)據(jù)信息。終端總體運(yùn)行良好,數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、可靠,大大提高水司管網(wǎng)的智能化水平。圖7為通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)界面查看到現(xiàn)場(chǎng)流量數(shù)據(jù)情況。

圖7 測(cè)試界面

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果看出,采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)RTU管網(wǎng)終端,有效解決了現(xiàn)場(chǎng)集中布線困難、覆蓋范圍小、維護(hù)成本高等問(wèn)題。終端總體運(yùn)行良好,數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,為水司用戶提供豐富、及時(shí)、可靠的管網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息,滿足水司管理需要,提高了管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化水平。