基于Cat.1技術(shù)的燃?xì)庵悄艹硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

林海棠，溫學(xué)強(qiáng)，郭建輝，李中陽(yáng)，章國(guó)茂

(浙江蒼南儀表集團(tuán)股份有限公司，浙江 溫州 325800)

0 引言

工信部發(fā)布的《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，明確窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of Things,NB-IoT)和Cat.1為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)承載技術(shù)[1]。NB-IoT憑借廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等特點(diǎn)，可滿足大規(guī)模的窄帶低速率需求，適用于低功耗但實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景[2-3]。與NB-IoT相比，Cat.1在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、速度、時(shí)延方面具有優(yōu)勢(shì)；與傳統(tǒng)的Cat.4相比，Cat.1具有成本低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。Cat.1適配于當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)，非常適用于對(duì)性價(jià)比、時(shí)延性、覆蓋范圍、通信速度有要求的場(chǎng)景[4-5]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于Cat.1技術(shù)的燃?xì)庵悄艹硐到y(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)燃?xì)饬髁坑?jì)的用氣數(shù)據(jù)和報(bào)警狀態(tài)，定時(shí)間隔主動(dòng)上報(bào)至系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)饬髁坑?jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

燃?xì)庵悄艹硐到y(tǒng)體系架構(gòu)由信息基礎(chǔ)設(shè)施、公共信息平臺(tái)和信息應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

終端層是燃?xì)饬髁坑?jì)，自動(dòng)采集用氣測(cè)量數(shù)據(jù)以及溫度、壓力等物理量數(shù)據(jù)和其他異常告警信息，并將采集的數(shù)據(jù)與信息實(shí)時(shí)上報(bào)至主站。

網(wǎng)絡(luò)層包含主站公共信息平臺(tái)與終端層燃?xì)饬髁坑?jì)之間的遠(yuǎn)程通信信道，采用Cat.1網(wǎng)絡(luò)建立遠(yuǎn)程信道，實(shí)現(xiàn)主站與燃?xì)饬髁坑?jì)終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和命令傳輸。

數(shù)據(jù)層通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換、整合、管理等方式，形成具有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的燃?xì)鈹?shù)據(jù)庫(kù)。

平臺(tái)層通過云計(jì)算、面向服務(wù)的架構(gòu)體系、中間件等技術(shù)構(gòu)成燃?xì)庵悄艹砥脚_(tái)，直接支撐應(yīng)用層，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、技術(shù)服務(wù)。

應(yīng)用層包括燃?xì)饫U費(fèi)、緊急報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息查詢等服務(wù)，為用戶層的燃?xì)夤?、公眾、智慧城市提供燃?xì)夤芾?、燃?xì)獗O(jiān)測(cè)、燃?xì)庥?jì)量數(shù)據(jù)和信息服務(wù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制模塊

燃?xì)饬髁坑?jì)由溫度、壓力檢測(cè)數(shù)字通道、流量檢測(cè)數(shù)字通道以及微處理器單元、液晶驅(qū)動(dòng)單元、防剪斷防強(qiáng)磁檢測(cè)單元、Cat.1無線通信模塊和其他輔助電路組成。系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框架圖

該設(shè)計(jì)采用TI公司的MSP430F5438微控制器作為主控芯片。其外部設(shè)有的電源電路、晶振電路以及復(fù)位電路共同組成單片機(jī)最小工作系統(tǒng)，確保主控芯片的正常運(yùn)行[6-7]。從各傳感器輸出的多路信號(hào)，經(jīng)微控制器處理后轉(zhuǎn)換成溫度、壓力、瞬時(shí)流量，通過瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間積分得到累積流量。微控制器實(shí)時(shí)采集防剪斷、防磁干擾信號(hào)，檢測(cè)燃?xì)饬髁坑?jì)的異常報(bào)警狀態(tài)。內(nèi)嵌的Cat.1無線通信模塊將運(yùn)行數(shù)據(jù)上報(bào)至燃?xì)庵悄艹砥脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。

2.2 Cat.1無線通信模塊

Cat.1無線通信模塊實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁坑?jì)與智能抄表平臺(tái)之間的遠(yuǎn)程通信。ML302模組是中移物聯(lián)推出的一款高性能LTE Cat.1模塊，支持時(shí)分長(zhǎng)期演進(jìn)(time division long term evolution,TD-LTE)和頻分長(zhǎng)期演進(jìn)(frequency division duplex long term evolution,FDD-LTE)通信制式。相比傳統(tǒng)的LTE Cat.4模組，ML302具有高性價(jià)比、深度優(yōu)化功耗的優(yōu)勢(shì)。Cat.1無線通信模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Cat.1無線通信模塊結(jié)構(gòu)圖

Cat.1無線通信模塊主要包括Cat.1模組、微控制單元(microcontroller unit，MCU)、晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic，TTL)接口、電源、射頻天線、全球用戶識(shí)別卡(universal subscriber identity module，USIM)卡座、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。Cat.1無線通信模塊工作電壓為3.8 V，與主控制器TTL接口連接，通過串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為建立Socket連接、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)、Socket連接維持。主程序流程如圖4所示。首先，系統(tǒng)檢查實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀是否上報(bào)成功。若出現(xiàn)上報(bào)失敗，則系統(tǒng)啟動(dòng)補(bǔ)傳，保證上報(bào)成功率。然后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)Socket連接情況。若發(fā)現(xiàn)連接斷開，則系統(tǒng)重新?lián)芴?hào)啟動(dòng)重連接，保證設(shè)備實(shí)時(shí)在線。

圖4 主程序流程圖

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀由幀頭、協(xié)議版本、設(shè)備編號(hào)、命令碼、長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域、循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check,CRC)和幀尾組成，每分鐘打包實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀，通過Cat.1模塊無線遠(yuǎn)程傳輸至抄表平臺(tái)。

表1 上報(bào)數(shù)據(jù)幀格式

3.2 數(shù)據(jù)加解密功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)加密算法一般分為對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法。對(duì)稱加密算法的加密和解密用相同密鑰，加解密速度快[8]。AES是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所用于加密電子數(shù)據(jù)的規(guī)范。本系統(tǒng)采用AES-128對(duì)稱加密算法對(duì)數(shù)據(jù)域軟件加密，實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁坑?jì)到主站的端到端安全控制，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、安全性和真?shí)性[9-11]。

燃?xì)饬髁坑?jì)在智能抄表平臺(tái)開戶后，系統(tǒng)隨機(jī)生成一組16 B的密鑰。當(dāng)燃?xì)饬髁坑?jì)首次通過Cat.1網(wǎng)絡(luò)連接至主站，會(huì)主動(dòng)上報(bào)一幀帶有設(shè)備編號(hào)信息的注冊(cè)包。系統(tǒng)在接收到注冊(cè)包后，下發(fā)生成的密鑰至燃?xì)饬髁坑?jì)。燃?xì)饬髁坑?jì)在接收到密鑰命令后須應(yīng)答系統(tǒng)，確認(rèn)密鑰設(shè)置成功。

系統(tǒng)發(fā)送端、接收端的數(shù)據(jù)加、解密流程如圖5所示。加密運(yùn)算時(shí)，數(shù)據(jù)域內(nèi)的數(shù)據(jù)分成以16 B為單位的數(shù)據(jù)塊，最后的數(shù)據(jù)塊可能為1～16 B。當(dāng)最后的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為16 B，正常對(duì)每16 B數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；當(dāng)最后的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度不足16 B，則在其后每個(gè)字節(jié)加上不足16 B部分的長(zhǎng)度差額數(shù)值，直到長(zhǎng)度達(dá)到16 B。對(duì)數(shù)據(jù)域內(nèi)的每個(gè)16 B數(shù)據(jù)塊按照密鑰K分別進(jìn)行加密。所有加密后的數(shù)據(jù)塊按照原有順序連接在一起。加密后，密文C的字節(jié)數(shù)亦為16 B的整數(shù)倍。當(dāng)接收端收到采用AES-128加密方式下的數(shù)據(jù)包時(shí)，根據(jù)密鑰K進(jìn)行解密，并執(zhí)行解密后的命令。

圖5 系統(tǒng)加、解密流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 一次抄讀成功率

一次抄讀成功率是指在系統(tǒng)發(fā)出每條采集遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)表的命令后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)抄讀成功率的次數(shù)之和與遠(yuǎn)傳表應(yīng)抄讀總次數(shù)的百分比[12]。本試驗(yàn)配置8臺(tái)燃?xì)饬髁坑?jì)，設(shè)備編號(hào)從20210001至20210008，安裝在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一次抄讀成功率試驗(yàn)。采用小型風(fēng)扇運(yùn)行模擬產(chǎn)生氣量，啟動(dòng)燃?xì)饬髁坑?jì)運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)量。啟動(dòng)系統(tǒng)抄表，每隔5 min對(duì)燃?xì)饬髁坑?jì)進(jìn)行采集操作，記錄智能抄表平臺(tái)收到的采集數(shù)據(jù)，并同步在燃?xì)饬髁坑?jì)中保存表具時(shí)間和測(cè)量數(shù)據(jù)，連續(xù)運(yùn)行7天。試驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)智能抄表平臺(tái)上每臺(tái)燃?xì)饬髁坑?jì)的上報(bào)次數(shù)。一次抄讀成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表2可知，8臺(tái)燃?xì)饬髁坑?jì)的一次抄讀成功率均大于99.5%，滿足一次抄讀成功率應(yīng)不低于99%的技術(shù)指標(biāo)要求。

表2 一次抄讀成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.2 數(shù)據(jù)抄讀總差錯(cuò)率

數(shù)據(jù)抄讀總差錯(cuò)率試驗(yàn)與一次抄讀成功率試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。在試驗(yàn)結(jié)束后，智能抄表系統(tǒng)導(dǎo)出每次采集的標(biāo)況累積流量值和燃?xì)饬髁坑?jì)所有保存測(cè)量的標(biāo)況累積流量值。抄表系統(tǒng)的標(biāo)況累積流量值VQ1與燃?xì)饬髁坑?jì)的標(biāo)況累積流量值VQ0的差值應(yīng)滿足式(1):

|(VQ11-VQ01)-(VQ10-VQ00)|≤0.05%(VQ01-

VQ00)+1×10-αQ+γQ×10-βQ

(1)

式中：VQ11為t1時(shí)刻的系統(tǒng)標(biāo)況累積流量值；VQ01為t1時(shí)刻的燃?xì)饬髁坑?jì)標(biāo)況累積流量值；VQ10為t0時(shí)刻的系統(tǒng)標(biāo)況累積流量值；VQ00為t0時(shí)刻的燃?xì)饬髁坑?jì)標(biāo)況累積流量值；αQ為實(shí)際抄讀燃?xì)饬髁坑?jì)的小數(shù)位數(shù)；βQ為系統(tǒng)的小數(shù)位數(shù)；γQ為系統(tǒng)誤差，燃?xì)饬髁坑?jì)為直讀表時(shí)的γQ為0。

標(biāo)況累積流量值顯示的小數(shù)位4位，γQ為0。對(duì)比2組數(shù)據(jù)，剔除系統(tǒng)未成功抄讀的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)每臺(tái)燃?xì)饬髁坑?jì)不滿足式(1)要求的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)抄讀的數(shù)據(jù)不滿足式(1)準(zhǔn)確度要求的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與應(yīng)抄讀的數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)的百分比。數(shù)據(jù)抄讀總差錯(cuò)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)抄讀總差錯(cuò)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

8臺(tái)燃?xì)饬髁坑?jì)的數(shù)據(jù)抄讀總差錯(cuò)率均不大于0.05%，符合數(shù)據(jù)抄讀總差錯(cuò)率不應(yīng)大于0.1%的技術(shù)指標(biāo)要求。由表3可知，有個(gè)別燃?xì)饬髁坑?jì)存在不滿足式(1)要求的數(shù)據(jù)。其主要原因是在試驗(yàn)初期，燃?xì)饬髁坑?jì)的標(biāo)況累計(jì)流量值比較小，而系統(tǒng)的小數(shù)位數(shù)少。這是由于精度不夠而引起的誤差。

5 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)夤纠眯畔⒓夹g(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的自動(dòng)化，以提高其經(jīng)營(yíng)管理效率。本文設(shè)計(jì)的基于Cat.1技術(shù)的燃?xì)庵悄艹硐到y(tǒng)將采集、轉(zhuǎn)換、傳送集成在一起，實(shí)時(shí)處理和分析用氣量信息，以及發(fā)現(xiàn)異常。該系統(tǒng)通過Cat.1網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一抄取，不需要工人抄表，節(jié)省了時(shí)間和成本，而且確保原始數(shù)據(jù)的唯一性，防止人工抄表過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)漏寫、少寫情況。該系統(tǒng)使用AES-128軟件加密算法對(duì)數(shù)據(jù)域加密，以實(shí)現(xiàn)對(duì)密鑰的安全、可靠管理，保證遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸安全。該系統(tǒng)對(duì)于工商業(yè)燃?xì)猬F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和工業(yè)環(huán)境安全的監(jiān)控，以及燃?xì)夤颈Ｕ嫌脩舻氖褂冒踩?、提高其管理水平和安全監(jiān)督水平具有重要意義。