一種應(yīng)用NB-IoT技術(shù)的預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗硌b置的研究

楊友良 陳宇擎 馬翠紅

摘 ?要： 文中設(shè)計(jì)采用區(qū)別于廣域物聯(lián)網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼耐ㄐ艂鬏敚鉀Q了廣域物聯(lián)網(wǎng)所需基站多、覆蓋范圍小的問(wèn)題。應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗硌b置的設(shè)計(jì)采用模塊化的方式。主控制器選擇MSP430F4152，采用SARA?N2系列模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸功能，軟硬件設(shè)備相互配合，更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)傳輸、物聯(lián)網(wǎng)付費(fèi)及遠(yuǎn)程調(diào)價(jià)等功能。通過(guò)低功耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，該裝置通信性能好，計(jì)費(fèi)測(cè)量準(zhǔn)確，電能消耗量低，使用壽命長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞： 預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗? 窄帶物聯(lián)網(wǎng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)傳輸; 遠(yuǎn)程調(diào)控; 能耗測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN915?34; TP216 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0091?04

Abstract： In this design， the narrow?band Internet of Thing （NB?IoT） technology different from the wide?area IoT is used to carry out the communication transmission of the prepaid gas meter， which solves the problems that the wide?area IoT requires many base stations and has a small coverage. The prepaid gas meter device applying NB?IoT technology is designed in a modular manner. The MSP430F4152 is selected as the main controller， the SARA?N2 series modules are adopted to realize the transmission function of the wireless data， and the hardware and software devices are cooperative with each other to better realize the functions of real?time monitoring and automatic transmission of data， IoT payment and remote price adjustment， etc. The testing experiment results of low?power consumption show that the device has good communication performance， accurate billing measurement， low power consumption and long service life.

Keywords： prepaid gas meter; NB?IoT; system design; data transmission; remote control; energy consumption test

0 ?引 ?言

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)分析都在迅猛發(fā)展，國(guó)家相關(guān)部門提出豐富智能終端高級(jí)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施功能，使得水表、氣表、電表、燃?xì)獗砟軌蚍€(wěn)步實(shí)現(xiàn)集中采集和集中抄表[1]。目前常用的智能燃?xì)獗碛兄悄芸ū砗蜔o(wú)線抄表，其中智能卡表在使用中自動(dòng)扣除費(fèi)用，方便公司管理收費(fèi)，但也存在需要生產(chǎn)智能充值卡增加成本的問(wèn)題;無(wú)線抄表主要采用無(wú)線射頻或ZigBee 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種表存在傳輸距離短、覆蓋范圍小、需要基站多的問(wèn)題，增加了建設(shè)和維護(hù)成本[2?3]。NB?IoT技術(shù)是一種獲得國(guó)際認(rèn)可的新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在近幾年的發(fā)展中受到國(guó)家的大力扶持，因其低功耗的優(yōu)勢(shì)獲得企業(yè)的廣泛關(guān)注，它為物聯(lián)網(wǎng)中的海量設(shè)備提供連接，化簡(jiǎn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)待機(jī)的功能[4]。此項(xiàng)技術(shù)更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，應(yīng)用于抄表系統(tǒng)中大有裨益[5]。

1 ?應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的燃?xì)獗硌b置總體設(shè)計(jì)

為提高整個(gè)遠(yuǎn)傳智能燃?xì)獗硌b置運(yùn)行的準(zhǔn)確性，選用單片機(jī)作為整個(gè)裝置的核心模塊，選用CPU卡作為整個(gè)系統(tǒng)信息存儲(chǔ)與交換的載體。對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如用戶購(gòu)買氣量、管內(nèi)剩余氣量等信息都保存在E2PROM中。四聲道超聲流量計(jì)對(duì)氣體流量值進(jìn)行檢測(cè)，溫度、壓力傳感器對(duì)燃?xì)獗淼氖褂铆h(huán)境進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)，利用NB?IoT通信模塊將各種數(shù)據(jù)資源實(shí)時(shí)輸送到PC端，使得燃?xì)庥脩艉凸芾砣藛T可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)后臺(tái)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)信息，使得應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的天然氣表更加智能化。

應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗硌b置整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)傳智能燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)功能為：天然氣流量的計(jì)費(fèi)與控制、設(shè)備的顯示與報(bào)警、信息的上傳和交互。報(bào)警情況如下：電池欠壓、管道氣體過(guò)流、閥門打開及關(guān)閉、室內(nèi)燃?xì)庑孤?、系統(tǒng)非正常操作、用戶欠費(fèi)等。當(dāng)設(shè)備報(bào)警時(shí)，電動(dòng)機(jī)閥門關(guān)閉，蜂鳴器發(fā)聲，顯示屏報(bào)警顯示。

2 ?NB?IoT介紹

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB?IoT）以它低功耗的優(yōu)勢(shì)使設(shè)備更易在廣域物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行連接[6]。NB?IoT的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1） 低功耗低成本

NB?IoT技術(shù)對(duì)其存儲(chǔ)信息、射頻天線電路、適用算法的要求都比較低。NB?IoT無(wú)需重新建立服務(wù)器，可對(duì)三大運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行租賃，得到較低的建設(shè)維護(hù)成本。

2） 廣覆蓋

NB?IoT具有良好的信號(hào)穿透能力，在密集建筑物、地下室、隧道內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)良好的覆蓋。

3） 強(qiáng)連接

NB?IoT的單個(gè)扇區(qū)可達(dá)到上萬(wàn)的連接量，在同等條件下是傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)的50～100倍。

NB?IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使得其在智能電表、智能氣表、智能水表等設(shè)備的遠(yuǎn)程管理上具有較好的應(yīng)用，能有效地解決當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定和設(shè)備功耗較高等問(wèn)題。用戶設(shè)備終端通過(guò)安裝相應(yīng)SIM卡的方式接入NB?IoT網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)與運(yùn)營(yíng)商所部署的NB?IoT基站之間信息收發(fā)，并進(jìn)一步經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基站與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的連接，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)完成各類業(yè)務(wù)的運(yùn)算與處理，所得到的結(jié)果可反饋到用戶設(shè)備終端，也可使用行業(yè)應(yīng)用設(shè)備讀取[7]。

預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗硌b置的研究在感知層收入傳感器信息，并通過(guò)微控制器對(duì)電動(dòng)閥門的開關(guān)進(jìn)行控制，所融合的傳感器信息通過(guò)NB?IoT傳輸層與平臺(tái)層上傳到應(yīng)用層的天然氣運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與分析以及綜合業(yè)務(wù)的管理。

3 ?預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)傳燃?xì)獗淼挠布O(shè)計(jì)

3.1 ?單片機(jī)最小系統(tǒng)

應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗硌b置采用MSP430F415作為設(shè)備的主控制器，為配合MSP430F415微控制器實(shí)現(xiàn)超低功耗，將外圍電路按功能劃分成各個(gè)模塊，并將CPU調(diào)整到適配狀態(tài)，使外圍電路能夠在不受CPU工作狀態(tài)的影響下獨(dú)立運(yùn)行[8]。以MSP430F415為主控制器的最小系統(tǒng)如圖2所示。復(fù)位電路由10 kΩ的電阻與0.1 μF的電容組成，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的功能。32.768 kHz的超低功耗晶體振蕩器能有效地降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)采用的兩個(gè)12 pF的電容作為旁路電路，來(lái)降低數(shù)模電源帶來(lái)的干擾。其中需要在模擬電源和數(shù)字電源之間加入一個(gè)0 Ω電阻和一個(gè)10 mH電感，進(jìn)行電路的隔離處理。

3.2 ?閥門驅(qū)動(dòng)電路

應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的燃?xì)獗碇袑?duì)于閥門電路的控制也至關(guān)重要，本次設(shè)計(jì)采用DRV8832DGV芯片，它的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小電流向大電流的轉(zhuǎn)換。該芯片能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)閥門的安全啟動(dòng)，以及設(shè)備的過(guò)壓、限流、過(guò)溫保護(hù)。芯片的正常工作電壓為2.75～6 V，輸出最大電流為1 A，對(duì)PWM電壓的管理能力[9]達(dá)到94%，使系統(tǒng)更加安全高效。單片機(jī)的P2.1口和P2.2口連接芯片的輸出端，兩個(gè)端口通過(guò)控制電平的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥門的打開或關(guān)閉。預(yù)付費(fèi)天然氣表的閥門電機(jī)電源線與驅(qū)動(dòng)芯片的OUT1和OUT2端口相連。

3.3 ?窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信模塊的設(shè)計(jì)

預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)傳燃?xì)獗硗ㄐ拍K的設(shè)計(jì)采用瑞士U?blox公司生產(chǎn)的SARA?N2系列模塊，其單個(gè)單元的工作時(shí)?？蛇_(dá)到10～20年之久，有效地提高家庭用表的工作年限，工作溫度在-40～85 ℃，能在工業(yè)用表中進(jìn)行推廣。

基于SARA?N2模塊的預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)傳燃?xì)獗硗ㄐ烹娐穲D如圖4所示，模塊支持串行通信接口UART，因RESET_N中存在上拉電阻，可與單片機(jī)直連。當(dāng)單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)時(shí)，復(fù)位引腳RESET_N邏輯為0，其余時(shí)段保持為邏輯1。單片機(jī)與通信模塊之間采用串口異步收發(fā)傳輸器。在SIM卡直接相連的電路上并聯(lián)接地電容，防止天線造成電流干擾，ANT_DET 管腳為檢測(cè)管腳，其輸出1個(gè)直流電流，用以檢測(cè)是否連接天線。

4 ?預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)傳燃?xì)獗碥浖O(shè)計(jì)

4.1 ?總體軟件程序設(shè)計(jì)

預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗碓O(shè)備的軟件功能主要包括CPU卡數(shù)據(jù)模塊的讀寫操作以及數(shù)據(jù)間的加密傳輸、燃?xì)饬髁康挠?jì)量、對(duì)電壓的數(shù)模采樣、無(wú)線通信報(bào)警、設(shè)備端的屏幕顯示。系統(tǒng)在進(jìn)入主循環(huán)之前首先進(jìn)行復(fù)位操作，并在特殊功能寄存器中設(shè)定初始值，將內(nèi)部存儲(chǔ)單元清零。進(jìn)入主循環(huán)之后，先進(jìn)行故障判斷，若發(fā)生故障則進(jìn)行關(guān)閥處理，單片機(jī)停止運(yùn)行，報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)燃?xì)獗碇械臍怏w量低于設(shè)定的最低值時(shí)，顯示模塊顯示“氣量不足，請(qǐng)購(gòu)氣”。當(dāng)流量采集模塊檢驗(yàn)到管內(nèi)氣體量不足時(shí)，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)閥門關(guān)閉，預(yù)付費(fèi)天然氣表停止工作。

4.2 ?中斷程序設(shè)計(jì)

中斷程序需要明確各個(gè)子模塊功能，為此采用模塊化的設(shè)計(jì)方式對(duì)天然氣預(yù)付燃?xì)獗硌b置進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分明確了各個(gè)模塊的入口與出口。中斷程序的主要軟件模塊有：系統(tǒng)掉電處理子模塊、CPU卡操作子模塊、脈沖處理子模塊、設(shè)備泄漏報(bào)警子模塊以及電壓檢測(cè)子模塊。

5 ?系統(tǒng)能耗測(cè)試

應(yīng)用NB?IoT 技術(shù)的預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼耐茝V需要降低其各模塊功耗，系統(tǒng)低功耗測(cè)試如表1所示。從表中發(fā)現(xiàn)，預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗硌b置的系統(tǒng)功耗分為休眠功耗和工作功耗。系統(tǒng)除了主MCU、采樣模塊、通信模塊外，其余模塊大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，系統(tǒng)的電流消耗約為：

6 ?結(jié) ?語(yǔ)

針對(duì)于當(dāng)前廣域物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中遠(yuǎn)傳燃?xì)獗沓霈F(xiàn)的所需基站多、覆蓋范圍小的問(wèn)題，對(duì)預(yù)付費(fèi)型遠(yuǎn)傳燃?xì)獗硌b置采用NB?IoT技術(shù)進(jìn)行通信傳輸。外圍電路的搭建和內(nèi)部軟件的設(shè)計(jì)以降低能耗為主要標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的預(yù)付費(fèi)型燃?xì)獗砭哂懈墒斓木W(wǎng)絡(luò)功能和更高的使用年限，為消費(fèi)者和公司提供一個(gè)安全便利的天然氣貿(mào)易估算平臺(tái)[10]。

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