基于NB-IoT技術(shù)無線電表計費系統(tǒng)的設(shè)計

郭雷崗，盧珊，張慧麗，王兵濤

（1.鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南鄭州，450001；2.鄭州市祥和集團(tuán)有限公司電力科技分公司，河南鄭州，450001）

1 NB-IoT的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 NB-IoT的發(fā)展

和其他技術(shù)一樣，事物的互聯(lián)網(wǎng)概念和定義是基于實際應(yīng)用。事物互聯(lián)得最早的應(yīng)用程序。1990年初，創(chuàng)造性地生產(chǎn)了分散在美國街道上的在線焦炭自動販賣機(jī)，事先實踐了互聯(lián)網(wǎng)的基本概念。麻省理工大學(xué)（MIT）的凱文·阿什頓教授首先明確闡述了1999年的網(wǎng)絡(luò)概念。簡單易懂的說明是，所有的內(nèi)容都可以通過網(wǎng)絡(luò)相互連接。2003年，繼著名的美國雜志技術(shù)評論之后，隨著全球互聯(lián)網(wǎng)的普及，作為在各個領(lǐng)域廣泛使用的“改變未來人們生活的10種新技術(shù)”被選擇。另外，本研究提出的智能儀表讀取系統(tǒng)是傳感應(yīng)用之一1）傳統(tǒng)的儀表讀取方法有一些問題，如高勞動成本、大錯誤、低實時性和大的人的影響因素，它不再適合現(xiàn)代快速生產(chǎn)和生活。因此，不需要實時將各個房間的數(shù)據(jù)直接讀入電腦室，可以減少不必要的浪費。使用NB-IoT的智能儀表讀取系統(tǒng)不僅可以大大提高傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)的讀取效率，而且考慮到各種對象之間的連接，使用較少的模塊解系統(tǒng)整體性能下降，系統(tǒng)整體性能下降。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用的設(shè)備耗電大，因此不能長時間獨立工作。所以，越標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的新單元格網(wǎng)絡(luò)的需求量就越大。第二，裝置必須為低功耗裝置，而且能夠長時間地獨立工作。最后，它有一個強(qiáng)大的覆蓋，一個特別關(guān)鍵的事情是互聯(lián)網(wǎng)分公司NB批次（窄帶LNTENET網(wǎng)絡(luò)）,NB有一個簡單的結(jié)構(gòu)和狹窄的占用帶寬（只有180kHz)，擁有建設(shè)和低功耗的優(yōu)勢。例如，我認(rèn)為NB批量是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的，可以直接在低成本的GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)等多個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中展開。NB批量支持低功率設(shè)備的蜂窩數(shù)據(jù)連接，被稱為低功率廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN)，它支持長時間的待機(jī)和高要求的網(wǎng)絡(luò)連接提供非常全面的室內(nèi)移動電話數(shù)據(jù)連接覆蓋。這些優(yōu)點在感測系統(tǒng)中被廣泛使用。

1.2 項目概述

最近，為了確保人們生活和財產(chǎn)的安全性，依次發(fā)布了相關(guān)的紅頭文件，并對防止電氣火災(zāi)、防止地區(qū)電氣火災(zāi)的必要條件和實施方法進(jìn)行了詳細(xì)說明加快建設(shè)使用系統(tǒng)和事物的互聯(lián)網(wǎng)，通過大數(shù)據(jù)人工智能和其他技術(shù)和知識領(lǐng)域的數(shù)據(jù)挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)隱藏的危險性，識別隱藏的危險種類，對隱藏的危險發(fā)生和開發(fā)的法則進(jìn)行洞察預(yù)測隱患發(fā)展趨勢，將相關(guān)危險因素與社會化服務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合，最終實現(xiàn)預(yù)測和早期警告，隱患措施社會服務(wù)和政府信息收集將連接到安全的生產(chǎn)防止系統(tǒng)預(yù)測和早期警惕生產(chǎn)中隱含的危險性和安全性事故和社會化服務(wù)，提高了早期火災(zāi)和預(yù)防和電氣火災(zāi)安全性事故的控制能力，實現(xiàn)了市場電氣火災(zāi)事故大幅減少的目標(biāo)，確保人們生活和財產(chǎn)安全的目標(biāo)。

本項目旨在構(gòu)建學(xué)校安全的電力管理系統(tǒng)，安全電力管理云平臺通過單技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)電火災(zāi)（電纜溫度、電流、電壓、殘余泄漏、電能）的主要因素進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)跟蹤和統(tǒng)計分析，依靠電氣危險性、物技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)、云計算等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實時電線和電氣裝置的潛在安全風(fēng)險（例如異常的電纜溫度、短路、過載、過電壓、過電壓、漏出等）我們將通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合離線服務(wù)機(jī)構(gòu)，為相關(guān)單位提供廣泛的離線處理服務(wù)，以避免電氣火災(zāi)大幅度減少標(biāo)區(qū)域的電火災(zāi)概率，發(fā)生電火災(zāi)，防止災(zāi)害的發(fā)生。

2 NB-IoT的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

目前，短距離無線通信技術(shù)在以低功率和廣域覆蓋為特征的互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域被廣泛使用，在窄帶無線通信技術(shù)中，窄帶無線通信技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)點。雖然窄帶互聯(lián)網(wǎng)的性能比其他短程無線通信（WiFi等）更好，尤其是大的報道、安全性和可靠性。系統(tǒng)計劃主要基于用于監(jiān)測信息采集、信息傳遞、住宅用水、電力和煤炭信息采集終端的狀態(tài)的NB-IoT技術(shù)。系統(tǒng)配置主要包括智能計費機(jī)，獲取終端，NB-IoT基站和服務(wù)器。其中，智能儀表及其連接設(shè)備有責(zé)任收集和測量用戶的水、電、煤信息。測量信息通過網(wǎng)絡(luò)以非常低的功率消耗通過數(shù)據(jù)摘要發(fā)送到NB-IoT基站。NB-IoT基站連接到服務(wù)器中心，并通過無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器中心發(fā)送由獲取設(shè)備收集的智能儀表參數(shù)。

2.2 采集終端方案設(shè)計

取得終端是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。眾所周知，居民生活所需的水、電、煤的消費一直在更新。大量用戶水、電和煤測量信息由獲取終端從智能儀表定期采樣，并根據(jù)一個傳輸周期進(jìn)行封裝和上傳。取得終端裝置無線收集智能儀表的周期數(shù)據(jù)，通過單技術(shù)的窄帶因特網(wǎng)無線上傳到基站。因此，取得終端基本上是相對獨立的電子系統(tǒng)，具有超低消耗功率、休眠模式、智能切換等特性。硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)輸入輸出接口模塊、光耦合器分離模塊、鍵模塊、顯示模塊和NBIOT通信模塊?；趕tm32嵌入處理器，其中還包含大功率模塊的NBIoT無線通信模組。其中stm32l 433是基于2016年由意大利和法國的零點五工業(yè)企業(yè)最新發(fā)售的"Arm contex-m4"的低輸出mcu"stm32l4系列"單臂數(shù)據(jù)處理器。CPU內(nèi)核的運(yùn)行頻段為八十MHz。在項目中主要承擔(dān)著數(shù)據(jù)獲取、積累、顯示等功能的調(diào)度與管理。而數(shù)據(jù)獲取接口模塊則主要用來周期性地獲取智能裝 置的數(shù)據(jù)參數(shù)。獲取模塊中主要包含了時鐘模塊、存儲單元、顯示電路和鍵電路。同時獲取裝置中還包含了AD/DC切換電路。數(shù)據(jù)獲取接口通過A/D變換模塊，對高頻電流的模擬信號進(jìn)行取樣、變換，并通過光電耦合器對信息進(jìn)行隔離。有效防止或干擾在復(fù)雜的電氣環(huán)境中，工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字控制系統(tǒng)上的模擬信號，從而有效地增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的安全性。NB-IoT通訊模組則采用了上海移動通信科技株式會社所研制的NB-IoT無線通信模組BC95，并使用省電技術(shù)和低耗電模塊（psw)。這能夠達(dá)到大約5%的最低電量損耗，產(chǎn)品規(guī)格為23.×19.，為了最大限度地實現(xiàn)對小模塊產(chǎn)品及終端設(shè)備的要求，客戶還可減小產(chǎn)品規(guī)格，以優(yōu)化生產(chǎn)成本。BC95無線通信模塊主要封裝根據(jù)NIOT無線數(shù)據(jù)協(xié)議收集的智能樂器數(shù)據(jù)，并發(fā)送給NB-IoT基站。BC95模塊將集成豐富的接口資源，包括簡單方便的RF接口和UART串行端口，以促進(jìn)與STM 32L433的數(shù)據(jù)通信。另外，由于NI OTT裝置需要運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)支持，所以具有能夠與SIM卡、IOMINT CLK RESSIMMM、USIMANT數(shù)據(jù)MSIMUNR RST、USMINN VDD交互的接口。功率模塊用于提供所有硬件系統(tǒng)所需的功率。功率模塊主要由電壓調(diào)整模塊、恒流模塊、升壓模塊、整流穩(wěn)壓模塊和微處理器模塊等組成。其中電流調(diào)節(jié)模塊用來調(diào)整由三相電源的三相電壓。而恒流模塊用來把由三相電源的三相電壓轉(zhuǎn)換成三相電流源，而整流器模塊則用來對由恒流模塊變換的三相電流源進(jìn)行升壓。微處理器模塊隨后使用整流器模塊對增強(qiáng)的輸出電壓源進(jìn)行整流，并通過二次額定電流輸出來調(diào)整穩(wěn)壓調(diào)節(jié)模塊。獲取終端的硬件控制系統(tǒng)即為最復(fù)雜的模擬－數(shù)字混合系統(tǒng)。我們已經(jīng)在電路線上處理了實際調(diào)試過程中出現(xiàn)的若干問題，并添加了若干組件。

2.3 計費功能設(shè)計

網(wǎng)上購物和網(wǎng)上支付變得平凡了，但是購物網(wǎng)還出現(xiàn)了。收費管理系統(tǒng)結(jié)合了互聯(lián)網(wǎng)燃?xì)釴B-IoT模塊的無線通信功能，具有無線通信過程的加密和解密系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、支付寶、信用卡和在線銀行等第三方支付功能。為了實現(xiàn)燃?xì)庥脩舻淖苑?wù)，在線購物氣功能源。加密和解密系統(tǒng)采用3DES+MAC加密。mac算法是不對稱的不可逆算法。在計費系統(tǒng)與因特網(wǎng)燃?xì)獗硗ㄐ胖埃?6字節(jié)的16進(jìn)制代碼密鑰集和8字節(jié)的16進(jìn)制代碼加密因子集必須預(yù)先設(shè)置，以加密和解密再充電命令和響應(yīng)命令。在收費模塊中，系統(tǒng)設(shè)計了兩種模式：離線充電和在線再充電。在前者對用戶進(jìn)行了再充電之后，收費系統(tǒng)首先保存收費解析數(shù)據(jù)庫的用戶再充電信息。當(dāng)無線通信隨后建立時，計費系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫讀取原始地重新充電信息，加密MAC，然后將其發(fā)送到經(jīng)由無線信道的NB-IoT模塊。在接收到加密數(shù)據(jù)之后，對燃?xì)鈨x表的ESAM模塊進(jìn)行再充電處理的解碼、驗證和積累。接下來，如圖1所示，響應(yīng)命令被發(fā)送到計費系統(tǒng)的NB-IoT模塊，并且當(dāng)完成所有氣體購買過程的用戶重新充電時，計費信息被直接加密并被發(fā)送到IOT燃?xì)鈨x表。其他工序和上述相同。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)購氣流程圖

2.4 綜合界面

安全電力管理平臺提供綜合監(jiān)測接口以綜合顯示諸如泄漏、過溫、斷線、短路、過電壓、過電壓等信息，并對這些信息進(jìn)行均勻分析。保守負(fù)責(zé)人可以直觀地理解現(xiàn)有系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)可以根據(jù)不同的角色和賬號登錄。

圖2 界面圖

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)網(wǎng)站方式設(shè)計和建設(shè)，配合移動客戶端，使用方便。

系統(tǒng)是完全按照Web技術(shù)設(shè)計的。任何管理部門的任何用戶，相關(guān)人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問系統(tǒng)網(wǎng)頁，以便在任何地方都可以獲得相應(yīng)的許可。用戶還可以登錄，智能手機(jī)（通過安裝應(yīng)用程序的客戶端，必須同時使用IOS的版本和Android的版本）。

圖3

圖4

點擊“視圖”按鈕，跳轉(zhuǎn)到隱藏危險巡邏界面或處理隱藏危險接口的界面。關(guān)于隱藏的危險性和課題的具體說明如下。

隱患：它意味著在發(fā)生隱患后，沒有下達(dá)工作命令，并且相關(guān)人員必須分配來處理；

任務(wù)：參照當(dāng)前登錄時必須完成的任務(wù)順序，形成隱藏的危險處理的閉環(huán)。

2.5 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的隱患分析及監(jiān)管系統(tǒng)

通過對電力線的各種重要電特性數(shù)據(jù)進(jìn)行多維建模和分析，例如電纜的溫度、電流、剩余電流等，系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確地反映輸電線路的狀態(tài)，并且發(fā)現(xiàn)隱患還可以識別隱藏的危險性類型，而且不能識別隱藏的危險性類型，還可以理解隱藏的危險性法則，預(yù)測隱藏的危險性的開發(fā)動向。系統(tǒng)根據(jù)負(fù)責(zé)的主題和管理科目的不同，向不同的用戶提供不同的軟件平臺。負(fù)責(zé)主題的軟件平臺，會讓你實時回憶，集中于活躍地控制實際隱藏的危險。管理機(jī)構(gòu)的軟件平臺專注于評估區(qū)域安全狀態(tài)和跟蹤隱患處置，為社區(qū)、所有者、生產(chǎn)和商業(yè)單位提供在線服務(wù)。

圖5

以隱匿危險統(tǒng)計曲線的形式顯示，在歷史上顯示與每月隱藏的危險性統(tǒng)計信息的比較；本月以下的統(tǒng)計顯示了那個月的故障和警報的總數(shù)。所有這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)均引用當(dāng)前登錄用戶和所有相關(guān)項目的隱患（包括缺點和警報）總和。

根據(jù)與當(dāng)前登錄用戶關(guān)聯(lián)的所有項目的地理位置動態(tài)展示地圖范圍，支持放大和縮小查詢。

圖6 地圖查詢

3 小結(jié)

本文討論了基于NB-IoT無線通信模塊的遠(yuǎn)程儀表讀取智能監(jiān)視系統(tǒng)的硬件部分。在互聯(lián)網(wǎng)時代，NB-IoT可以實現(xiàn)與人類生活密切相關(guān)的水力、煤炭計量系統(tǒng)的知識管理，減少人力資源的成本。說明了遠(yuǎn)程儀表讀取智能監(jiān)視系統(tǒng)的各構(gòu)成要素的原理，并介紹了嵌入stm32l 433、bc95rf系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，特別是取得部的電路。該系統(tǒng)修正了將原型調(diào)試、測試數(shù)據(jù)和錯誤組合在一起的硬件電路，并在原型的下一個版本的開發(fā)過程中得到了改善。

貿(mào)澤開售Analog Devices用于衛(wèi)星通信的ADMV4540K波段正交解調(diào)器

2022年3月,貿(mào)澤電子備貨Analog Devices ADMV4540 K波段正交解調(diào)器。ADMV4540是一款高度集成的正交解調(diào)器，帶有內(nèi)置合成器，適用于需要全戶外裝置的新一代K波段高通量地面端衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

貿(mào)澤電子分銷的Analog Devices ADMV4540正交解調(diào)器是一款單芯片解決方案，供電電壓為3.3V，總功耗低于3.2W。該器件帶有內(nèi)置合成器，此合成器包含壓控振蕩器(VCO)、下變頻器、濾波基帶放大器、低噪聲放大器(LNA)和串行外設(shè)接口(SPI)控制功能，能讓設(shè)計人員進(jìn)一步壓縮整體占用空間。該器件的射頻前端由兩個LNA路徑組成，可支持多天線極化，工作頻率范圍為17GHz至22GHz。每個路徑都具有優(yōu)化級聯(lián)的5dB雙邊帶噪聲系數(shù)，可獲得高增益。通過器件的可編程4線SPI可對LNA路徑進(jìn)行選擇。