簡述基于NB-IoT的微電流采集系統(tǒng)

張娜 劉明凱

1. 山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東 淄博 255000；

2. 山東理工大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化學(xué)院 山東 淄博 255000

引言

在我國，許多的建筑施工工地還是傳統(tǒng)地用人工對(duì)電纜電流采集信息數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。而人工采集多個(gè)電纜電流，不可能同時(shí)計(jì)算出每個(gè)表的參數(shù)，數(shù)據(jù)采集周期也很長，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性?；谟芯€方式進(jìn)行工業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)信息傳感器裝置一般也只適用于小型的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，對(duì)于一些不同高度的電纜線也依然需要我們采用布線的方式。傳統(tǒng)微電流檢測(cè)是利用GSM來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，而本設(shè)計(jì)利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，NB-IoT技術(shù)是一種物聯(lián)網(wǎng)的窄帶射頻技術(shù)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸非常有利。在下位機(jī)間傳感器與主控制器采用RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡介

我們將微電流檢測(cè)傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街骺刂破?，通信協(xié)議采用的是RS485雙向通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。主控制器采用的是基于STM32103系列芯片，其中包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析，以及數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)、數(shù)據(jù)回傳、數(shù)據(jù)上報(bào)等，主控制器與NB模塊通過串口連接，以此將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)用于Web界面顯示和手機(jī)接入，用戶可以通過手機(jī)或Web界面查詢傳感器數(shù)據(jù)的運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制主控芯片[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

首先，工業(yè)傳感器模塊通過RS485協(xié)議和主控制芯片實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信，通過采集器實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的數(shù)據(jù)讀取。

2.1 主控制器

系統(tǒng)采用STM32作為主控制器。主控制器實(shí)現(xiàn)與微電流采集模塊和NB模塊的通信。主控制器通過工業(yè)傳感器通信控制模塊向工業(yè)電纜微電流采集器發(fā)送讀取電纜數(shù)據(jù)的指令，偵聽電纜微電流采集器返回的數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將有效信息提取出來，在完成一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)采集后，主控制器根據(jù)NB模塊的通信協(xié)議對(duì)不同電纜微電流采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮封裝。添加安全驗(yàn)證密鑰后，將完整的數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，服務(wù)器分析數(shù)據(jù)后通過Web呈現(xiàn)給用戶[2]。

2.2 微電路與采集電路設(shè)計(jì)

為針對(duì)多個(gè)使用場景，系統(tǒng)采用了多個(gè)不同的采集模塊，其中包括圓柱形夾式電纜，直接卡到電纜上讀取電流數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，為了采集精密型微小電流，我們采用尖端引電荷類似于避雷針的原理將微小電流通過多個(gè)引針引到一根總線上，通過電流采集模塊直接采集電流信息。其簡易示意圖如圖1所示：

圖1 電流采集簡易圖

在通過上述方案采集到電流后，將數(shù)據(jù)通過NB模塊同步到云端，使得用戶可以實(shí)時(shí)觀看設(shè)備數(shù)據(jù)。

2.3 NB模組

NB模組采用中移M6312模塊，模組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的信號(hào)靈敏度可低至－135dBm，使模組的通信范圍大大增加。模塊通過串口與單片機(jī)之間保持實(shí)時(shí)通信。單片機(jī)通過外圍引腳連接的電流采集模塊采集到微電流后，NB模塊收到主控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)包后被激活，從休眠狀態(tài)切換到工作狀態(tài)（在無數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，NB模塊保持休眠以提高系統(tǒng)的續(xù)航能力，保持設(shè)備在戶外情況下能夠超長時(shí)間正常工作），將接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，服務(wù)器接收到下位機(jī)傳來的電流信息，分析物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)下發(fā)的用戶指令數(shù)據(jù)以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)，用戶就可以通過App、網(wǎng)頁等途徑實(shí)時(shí)觀察到微電流的實(shí)時(shí)信息。NB模塊的超低功耗、信號(hào)覆蓋廣、數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為系統(tǒng)通信模塊的首選。

2.4 GPS模塊設(shè)計(jì)

為了記錄設(shè)備的位置情況，方便管理者精準(zhǔn)地觀測(cè)到設(shè)備的位置信息以判斷線纜位置，系統(tǒng)采用正點(diǎn)原子的ATK-NEO-6M高性能GPS模塊，模塊自帶后備電池，在設(shè)備無電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)用后備電池為管理者發(fā)送設(shè)備位置以及無電告警，天線的使用保持位置信號(hào)的穩(wěn)定，單片機(jī)通過串口與GPS模塊連接，保持位置信息實(shí)時(shí)更新，在單片機(jī)讀取GPS模塊發(fā)送的位置信息后，單片機(jī)分析模塊數(shù)據(jù)，解析后通過串口發(fā)送給NB模塊，從而上傳到上位機(jī)，上位機(jī)采用地圖顯示設(shè)備信息。

3 系統(tǒng)工作流程

主控制器上電后，首先對(duì)硬件系統(tǒng)接口技術(shù)進(jìn)行一個(gè)初始化，完成串口波特率與校驗(yàn)位的配置；然后對(duì)NB模組結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理配置，激活NB模組產(chǎn)品進(jìn)入正常工作狀態(tài)，搜索NB網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信號(hào)，并完成入網(wǎng)操作；NB模組接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)后，主控制器可以開始實(shí)施執(zhí)行連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)具體操作，使NB模組接入互聯(lián)網(wǎng)用戶指定的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

NB模塊連接到服務(wù)器并向服務(wù)器發(fā)送相關(guān)驗(yàn)證信息，驗(yàn)證成功時(shí)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)下發(fā)校驗(yàn)成功指令，接下來，依次向電纜微電流檢測(cè)傳感器發(fā)送電流、電壓、電量讀取指令，同時(shí)對(duì)于監(jiān)聽電纜微電流溫度傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)果返回，并對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)包內(nèi)容進(jìn)行正確解碼；對(duì)所有的電纜微電流傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢，然后將不同的電纜微電流傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效壓縮；根據(jù)NB模組的通信服務(wù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求生成完整的數(shù)據(jù)包文。

主控制器通過UART接口將完整的數(shù)據(jù)包發(fā)送給NB模組后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次RTC鬧鐘喚醒或UART中斷指令喚醒；當(dāng)主控制器已經(jīng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，用戶下發(fā)的指令由服務(wù)器下發(fā)至NB模組；NB模組完整接收指令的解碼工作，主控制器被激活，解析命令數(shù)據(jù)，獲取用戶命令，并響應(yīng)命令。此外，儀表數(shù)據(jù)被解析并存儲(chǔ)在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上，并可推至用戶的數(shù)據(jù)服務(wù)器和用戶終端[3]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用JAVA語言編寫的APP，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)采集數(shù)據(jù)的處理，以及命令下發(fā)的工作。同時(shí)在安卓客戶端，實(shí)現(xiàn)微電流數(shù)據(jù)信息傳感器的消息訂閱，設(shè)置一個(gè)發(fā)布的主題。同時(shí)我們開發(fā)了微信小程序，同樣可以用來接收云端發(fā)過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)下位機(jī)傳來數(shù)據(jù)的分析，并通過微信小程序的UI界面展現(xiàn)給用戶，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)觀看，微信小程序同樣可以下發(fā)相應(yīng)的指令，來控制下位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。為了方便物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)，我們采用中移ONENET平臺(tái)作為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了一套簡易界面。

電量測(cè)量數(shù)據(jù)展示界面如圖2所示，電纜電流波形圖如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面

圖3 電流波形圖界面

為方便設(shè)備的定位，我們加入GPS功能，顯示界面如圖4所示。

圖4 GPS定位界面

5 結(jié)束語

不管是在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域還是在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，防漏電都是一項(xiàng)企業(yè)長期艱巨的任務(wù)，經(jīng)實(shí)踐可以證明，該電纜電流的監(jiān)測(cè)裝置在各個(gè)不同領(lǐng)域上都取得了較好的防漏電成效。此外，由于電纜電流監(jiān)測(cè)裝置同時(shí)采用遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，也適用于野外鐵塔和輸電電纜的選型。