基于NB-IoT的透?jìng)鱀TU設(shè)計(jì)

郭麗霞，吳新峰

（安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455000）

0 引言

DTU的主要功能是把遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過無線的方式傳送回后臺(tái)服務(wù)器,并且服務(wù)器能夠通過DTU遠(yuǎn)程操作終端模塊。通常一套完整的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括：終端數(shù)據(jù)采集單元、DTU數(shù)據(jù)傳輸單元、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)處理中心等，DTU是整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，DTU的性能影響著整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

1 低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT通信技術(shù)現(xiàn)狀

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基本結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低速窄帶寬環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)的有效構(gòu)建，具有長距離、低速率、低能耗以及服務(wù)多樣化的特點(diǎn)。同時(shí)也具有覆蓋強(qiáng)、成本低、資費(fèi)低的特性?，F(xiàn)有的技術(shù)條件下，在同樣的帶寬頻段下，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)增益超過20 dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍，這種覆蓋能力使得物聯(lián)網(wǎng)的通信能力得到大大增強(qiáng)，實(shí)用性切實(shí)得到保障。目前NB-IoT一個(gè)扇區(qū)最多可以支持10萬用戶端的同時(shí)在線連接，并且即便是在滿負(fù)荷的情況下，NBIoT通信技術(shù)仍然保持一個(gè)較低的延時(shí)率，提升了用戶的滿意度[1]。

目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品采用的無線傳輸方式有GPRS技術(shù)和LoRa技術(shù)。GPRS最大不足是通信鏈路資費(fèi)貴的問題，同時(shí)功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NB-IoT，在由鋰電供電的場(chǎng)合，采用低功耗傳輸才能延長儀表的使用時(shí)間。和LoRa相比，NB-IoT是三大運(yùn)營商布局和服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，通信質(zhì)量能夠保證，因?yàn)長oRa運(yùn)行在非授權(quán)頻段，所受的干擾和通信安全是其面臨的問題[2]。所以本設(shè)計(jì)采用NB-IoT無線傳輸技術(shù)，可獲得得更多的優(yōu)勢(shì)。

2 總體設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

本設(shè)計(jì)主要具有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。一是低功耗。本設(shè)計(jì)無線通信采用NB-IoT技術(shù)，NB-IoT又稱為低功耗廣域網(wǎng)，此技術(shù)可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具有超強(qiáng)覆蓋、超低功耗、超低成本、超大連接等特點(diǎn)。此外，該設(shè)計(jì)選用低功耗處理器，程序中對(duì)低功耗優(yōu)化處理，采用不同的低功耗策略，平時(shí)整機(jī)工作在低功耗模式下，靜態(tài)整體功耗<20 uA。二是低成本，NB-IoT資費(fèi)很低，降低整體系統(tǒng)運(yùn)營成本。

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)接口以及程序下載JTAG接口。它采用MICROCHIP公司的PIC16LF15324處理器作為處理單元，采用深圳有方科技的NB-LOT無線傳輸模塊N21進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，采用485接口作為數(shù)據(jù)接口，內(nèi)置15KV ESD保護(hù)，從而可方便應(yīng)用在多種行業(yè)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3.1 主要芯片介紹

3.1.1 PIC16LF15324的特點(diǎn)

PIC16LF15324單片機(jī)具有模擬外設(shè)、獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)和通信外設(shè)，并結(jié)合了超低功耗（eX?treme Low-Power，XLP）技術(shù)，適用于一系列廣泛的通用和低功耗應(yīng)用。具有兩個(gè)串口，11通道帶電壓基準(zhǔn)10位ADC，3個(gè)定時(shí)器，低功耗欠壓復(fù)位，可編程欠壓復(fù)位，具有在線式串行編程（ICSP）等功能。

3.1.2 N21介紹

N21是一款超小封裝NB-IoT工業(yè)級(jí)無線通訊模塊。N21模塊特點(diǎn)是超低功耗，廣域覆蓋，外圍電路簡單，客戶易于開發(fā)，適合用于低速率低功耗的物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備。支持TCP/IP/UDP，IoT協(xié)議。N21集成了工業(yè)UART接口，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如COAP/UDP/TCP/IP/MQTT。采用Pin 2 Pin設(shè)計(jì)，兼容Neoway N11系列2G模塊，支持主流頻段，可以用在亞洲、歐洲、澳大利亞和全球其他有NB網(wǎng)絡(luò)部署的地方。

3.2 電源電路

本設(shè)計(jì)的電源采用兩級(jí)分壓設(shè)計(jì)。一級(jí)分壓是使輸入的寬電壓范圍直流12 V至36 V轉(zhuǎn)換為直流5 V，電路如圖2所示，采用上海芯龍的DC-DC芯片XL7035作為電壓轉(zhuǎn)化芯片。二級(jí)分壓是使直流5 V轉(zhuǎn)換為直流3 V，電路如圖3所示，從而供單片機(jī)和采N21使用，采用MIC29302WU電源芯片。

圖2 一級(jí)分壓電源電路

圖3 二級(jí)分壓電源電路

電源部分注意事項(xiàng)：

電源的性能，比如負(fù)載能力、紋波的大小等，都會(huì)直接影響模塊的性能和穩(wěn)定性。另外模塊在弱信號(hào)情況下，可能會(huì)以最大功率發(fā)射，此時(shí)瞬時(shí)峰值電流可達(dá)1 A左右，會(huì)造成模塊電壓跌落。如果電壓跌落到3.3 V以下，可能會(huì)造成模塊重啟等異常。D1使用TVS管，可以防止電源浪涌對(duì)模塊的損壞，推薦型號(hào)：SMF5.0AG（V rwm=5V&P ppm=200 W）。C5可選擇大容量的鋁電解電容（470 μF），C2 可選擇陶瓷電容，兩者可以提高電源的瞬間大電流續(xù)流能力，平滑供電電源的電壓波動(dòng)。此外在靠近模塊的電源管腳還要增加 0.1μF、100pF和33pF的濾波電容，降低高頻干擾。

3.3 無線傳輸控制電路

N21的外圍電路通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，從而進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)傳輸；單片機(jī)通過IO口高低電平來控制N21的開關(guān)機(jī)；天線接口采用標(biāo)準(zhǔn)SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐。無線傳輸控制電路圖如圖4所示。

圖4 無線傳輸控制電路

3.4 數(shù)據(jù)處理單元電路

單片機(jī)的外圍電路通過PPS定位RC0、RC2作為串口1，定位到RC4、RC3為串口2與N21進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；連接SP3485進(jìn)行485數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)連接JTAG接口進(jìn)行程序下載。數(shù)據(jù)處理單元電路如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理單元電路

3.5 通信485接口電路

通信485接口電路采用TVS進(jìn)行保護(hù)，通過單片機(jī)的RC1高低電平控制接收和發(fā)送。其電路如圖6所示。

圖6 通信485接口電路

3.6 USIM接口電路

USIM接口電路采用標(biāo)準(zhǔn)的抽屜式用戶卡接口，支持1.8V/3V SIM/UIM卡，內(nèi)置15KV ESD保護(hù)。其電路如圖7所示。

圖7 USIM接口電路

3.7 布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)N21硬件設(shè)計(jì)有許多需注意的事項(xiàng)，本設(shè)計(jì)在布線時(shí)要格外注意。

電源部分在PCB中走線要遠(yuǎn)離射頻部分，走線寬度要保證1 A的電流安全通過而且不能有明顯的回路壓降。主電源走線寬度要求大約為2 mm左右。電源部分的地平面盡量完整，且多打地孔。

PCB的走線方式為：射頻線寬度為0.8～1.0 mm；射頻線與鋪地的間距為1～0.8 mm；射頻線需要完整包地且要多打地孔（很重要）；射頻線對(duì)應(yīng)的背面層需要挖地掏空，射頻線走線盡量短（不超過15 mm為宜），盡量圓滑，無突起，比如使用弧線或者淚滴，以防止反射。

在NB-IoT模塊的工作過程中，存在瞬間大電流的情況，容易導(dǎo)致電壓波動(dòng)產(chǎn)生開關(guān)噪聲，這種噪聲會(huì)影響模塊以外的電路。為了規(guī)避這種噪聲，需要將模塊的電源和其它電路的電源做隔離處理。隔離措施采用LC濾波電路中，電感L使用10 μH，額定電流大1.2 A的線繞功率電感。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)以MPLAB X IDE v4.15為開發(fā)平臺(tái)，圖形化配置單片機(jī)外設(shè)，自動(dòng)產(chǎn)生配置代碼，采用C語言編寫。軟件設(shè)計(jì)的主要工作是通過AT指令控制N21模塊，控制流程如圖8所示。

圖8 配置N21流程圖

建立PPP連接的主要代碼如下：

5 測(cè)試

服務(wù)器發(fā)送幾串任意數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過NB-IoT無線傳輸?shù)紻TU，電腦通過USB轉(zhuǎn)485模塊連接本DTU設(shè)備，數(shù)據(jù)能夠在串口助手接收顯示。

6 結(jié)束語

隨著三大運(yùn)營商N(yùn)B-IoT網(wǎng)絡(luò)的逐漸成熟，基于NB-IoT的應(yīng)用會(huì)越來越多。DTU已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、環(huán)保、LED信息發(fā)布、物流、水文、氣象等行業(yè)領(lǐng)域。通過基于NB-IoT的透?jìng)鱀TU設(shè)計(jì)，簡化了工程項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)難度；促進(jìn)了例如無線數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等各種物聯(lián)網(wǎng)方面的使用。在互聯(lián)網(wǎng)日益發(fā)展的今天，它為各行業(yè)之間的信息交換以及產(chǎn)業(yè)融合升級(jí)提供了幫助。