基于NB-IoT的智慧室分天線在網(wǎng)質(zhì)量檢測基礎研究與應用

摘 要：為了解決當前小場景覆蓋采用的室分天線等設備無法監(jiān)控的問題，開展了基于NB-IoT的智慧室分天線在網(wǎng)質(zhì)量檢測基礎研究與應用。針對傳統(tǒng)室分天線采用大量無源器件和線纜的情況，文中引入了便攜式電池為其供電，通過功率檢波管采集輸出功率；同時設計了一個嵌入式系統(tǒng)，采用自主自適應功率采樣算法，準確計算室分天線的輸出功率；最后通過NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)上報到服務器。本應用的硬件以低功耗的芯片STM8L151G6U6作為MCU，由檢測射頻功率的采集模塊、NB-IoT數(shù)據(jù)處理模塊、低功耗供電模塊和電池電量檢測模塊組成。系統(tǒng)軟件部分則包括底層驅(qū)動程序開發(fā)、采樣數(shù)據(jù)處理軟件、室分天線的功率采樣算法實現(xiàn)、電池電量數(shù)據(jù)的分析和處理軟件、低功耗處理機制和上位機的數(shù)據(jù)傳輸軟件等，這些程序共同協(xié)作以實現(xiàn)智慧室分天線的各項功能。

關鍵詞：NB-IoT；智慧室分天線；自主自適應算法；MCU；數(shù)據(jù)處理；低功耗處理

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-04

0 引 言

由于小場景覆蓋下傳統(tǒng)室分天線[1]采用了大量無源器件和線纜，端到端鏈路質(zhì)量無法得到監(jiān)控，成為監(jiān)控盲區(qū)，存在網(wǎng)絡安全隱患。因此，實現(xiàn)啞設備的有效監(jiān)控迫在眉睫。為了解決這個問題，本文提出一種基于NB-IoT的智慧室分天線，可定時并準確地檢測室分天線輸出功率，并上報給服務器。

基于NB-IoT的智慧室分天線[2]在網(wǎng)質(zhì)量檢測[3]基礎研究與應用中，以低功耗的芯片STM8L151G6U6作為MCU，采用基于NB-IoT技術的功率模塊直接將信息上報給運營商無線網(wǎng)絡，通過上位機或手機進行功率信息傳送。NB-IoT作為當下流行的物聯(lián)網(wǎng)遠程通信模塊，能通過多種協(xié)議（如UDP、TCP/IP、HTTP、LWM2M協(xié)議）與計算機進行信息收發(fā)，無論是簡單的還是復雜的控制需求，它都能實現(xiàn)遠程控制，具有覆蓋廣、連接多、成本低和功耗低的優(yōu)點，適用于智能停車、智能抄表、智能監(jiān)控、物流跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)應用領域。

本智慧室分天線硬件部分由室分天線輸出功率的采集模塊、NB-IoT數(shù)據(jù)處理模塊、低功耗供電模塊和電池電量檢測模塊組成。軟件部分則包括底層驅(qū)動程序開發(fā)、采樣數(shù)據(jù)處理軟件、室分天線的功率采樣算法實現(xiàn)、電池電量數(shù)據(jù)的分析和處理軟件、低功耗處理機制和上位機的數(shù)據(jù)傳輸軟件等，這些程序共同協(xié)作以實現(xiàn)智慧室分天線的各項功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 總體設計

基于NB-IoT的智慧室分天線如圖1所示。系統(tǒng)通過MCU平臺上的嵌入式監(jiān)控軟件來初始化NB-IoT模塊，然后智能檢測室分天線的輸出功率和便攜式電池模塊的電量值等信息，并借助NB-IoT網(wǎng)絡將這些數(shù)據(jù)實時傳送到服務器；智慧室分天線服務器端將收集到的大量數(shù)據(jù)解析處理后通過友好的用戶界面推送給用戶，從而實現(xiàn)對室分覆蓋信號的實時監(jiān)控。

1.2 具體硬件設計

本文設計了一套基于低功耗MCU的智慧室分天線功率監(jiān)測終端。硬件原理框圖如圖2所示。

信號鏈路通過耦合器把室分天線的輸出功率送到功率檢測單元，得到模擬電壓信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，交由MCU最小系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理；然后通過NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。系統(tǒng)的電源則通過電源控制單元分別給功率檢測單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、MCU最小系統(tǒng)和NB-IoT模塊供電。便攜式電池經(jīng)過低壓降線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator， LDO）后再給系統(tǒng)供電，可保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，輸出電壓誤差在0.1 V以內(nèi)。具體硬件實現(xiàn)如圖3所示。

如圖4所示，MCU采用低功耗芯片STM8L151G6U6作為處理器。為了使MCU的工作頻率和通信波特率更精準，MCU最小系統(tǒng)使用外部晶體。

如圖5所示，功率采樣模塊采用AD8312功率檢波管實現(xiàn)。AD8312是一款用于RF信號測量的低成本檢測器，工作頻率范圍為50 MHz～3.5 GHz，主要用于各種蜂窩手機和其他無線設備中。與采用分立式二極管檢波器的方案相比，它能夠提供更寬的動態(tài)范圍和更高的測量精度，在-40～85 ℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，展現(xiàn)出了卓越的溫度穩(wěn)定性。

如圖6所示，NB-IoT模塊采用的是M5311模組。M5311是一款高性能、低功耗NB-IoT無線通信模組，滿足中國移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通用模組技術規(guī)范。尺寸僅為16 mm×18 mm×2.2 mm，能夠最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，在實際應用時能有效地減小產(chǎn)品尺寸，進而降低產(chǎn)品成本。

如圖7所示，電源供電模塊采用1 500 mA·h的3.6 V鋰電池進行供電。由于功率檢波管、MCU和NB-IoT模塊的供電電壓為3.3 V，故采用LDO進行處理[4]，以保證電壓的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)軟件設計

基于NB-IoT的智慧室分天線的軟件工作流程如圖8所示。模塊上電后，先初始化MCU和NB-IoT模塊；然后檢測室分天線的輸出功率、電池電壓信息；再把模塊ID、電池電壓狀態(tài)和室分天線的輸出功率等數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議進行打包，通過NB-IoT模塊上報給服務器，等待服務器回應（若服務器超時未回應，再次上報數(shù)據(jù)，上報3次后則不再上報）。設置NB-IoT模塊為省電模式，關閉檢波電源，MCU進入休眠，等待超時喚醒，喚醒后重復上述流程。

2.1 MCU初始化

MCU配置為外部晶振工作模式，使能內(nèi)部ADC模塊，初始化UART用于與NB-IoT模塊M5311通信。初始化內(nèi)部定時器用于系統(tǒng)計時。

2.2 NB-IoT模塊工作

MCU只有一個UART模塊。正常情況下，UART模塊負責MCU與NB-IoT的通信。在固件升級情況下，可切換接口為PC機與MCU通信。

初始化NB-IoT模塊[5]，將模塊注冊到網(wǎng)絡，使其處于可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)。模塊側(cè)需要完成設備創(chuàng)建工作、資源訂閱工作（包括Object組配置和Resource配置）。上述流程完成之后，方可登錄操作。如圖9所示，模塊側(cè)設備創(chuàng)建主要是在模組上創(chuàng)建一個與平臺注冊配置相匹配的下級設備。

2.3 功率數(shù)據(jù)采集和處理

基于NB-IoT的智慧室分天線系統(tǒng)的功率采集和處理采用的是自主自適應算法[6]，可兼容多種制式、多種信號的功率采樣和計算。

室分天線輸出功率采樣流程如圖10所示。

（1）室分天線的輸出功率信號首先經(jīng)過濾波器進行處理，隨后通過檢波管進行檢波，再通過檢測切換開關進行信號選擇，最后利用MCU（微控制器）的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進行采樣；

（2）獲取采樣值時，每采樣一次持續(xù)10 ms，共采樣200次，去掉最大的2個值，得到次最大的8個值，再取平均值；

（3）將經(jīng)過篩選和處理的采樣值發(fā)送給MCU。

2.4 電池電壓檢測

模塊自身的供電電池電壓的檢測步驟如下：

（1）通過電池電壓檢測端口進行A/D采樣；

（2）獲取采樣值時，每隔100 ms采樣一次，共采樣10次，去掉最大值和最小值再取平均值，這樣每秒鐘就可以得到一個表示電池電量的數(shù)字值；

（3）將采樣值與電池低電壓門限比較，低于門限則產(chǎn)生電池電壓低告警狀態(tài)“1”，大于等于門限值則為正常狀態(tài)“0”。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸

終端自動喚醒后數(shù)據(jù)交互流程如圖11所示，具體如下：

（1）終端通過EDP協(xié)議[7]接入OneNET平臺[8]。

（2）終端與OneNET平臺的鑒權方式采用EDP協(xié)議“連接請求”中描述的“產(chǎn)品ID+鑒權信息（auth_info）”方式。其中，“產(chǎn)品ID”為在平臺添加產(chǎn)品時平臺生成的ID，“鑒權信息（auth_info）”為終端的SN序號。

（3）GPRS/LTE/NB-IoT網(wǎng)絡信號質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)通過EDP協(xié)議（存儲轉(zhuǎn)發(fā)報文）上傳至OneNET平臺。OTA功能通過EDP協(xié)議描述的遠程固件更新功能實現(xiàn)。

（4）終端定時喚醒周期和下次喚醒時刻（可選臨時喚醒任務）配置信息由終端直接從應用平臺通過HTTP協(xié)議獲取。

（5）終端在周期喚醒或臨時喚醒時向OneNET平臺上傳的數(shù)據(jù)內(nèi)容遵循JSON字符串格式。

2.6 MCU休眠喚醒周期切換省電方式

檢測模塊由電池供電，為了節(jié)省電量，延長電池的使用時間，必須讓MCU及其他外圍電路模塊盡可能節(jié)省用電量。省電方式如下：

（1）MCU只在上報數(shù)據(jù)間隔周期內(nèi)才喚醒，其他時間段都處于休眠狀態(tài)[9]。MCU采用Active Halt休眠模式，此模式下主振蕩器、CPU及其他幾乎所有外設都停止工作，并通過設置關閉FLASH電源。這種模式可以通過內(nèi)部時鐘喚醒。為了快速喚醒，在設備休眠之前設置LSE作為主時鐘，把不用的I/O口置為輸出低電平狀態(tài)。

（2）在MCU休眠時間段關斷天線功率檢測電路和電池電壓檢測電路電源。

（3）在MCU休眠時間段關斷NB-IoT模塊電源或設置NB-IoT模塊為省電模式。

（4）盡量減少天線功率采集處理和電池電壓檢測時間。

（5）盡量減少NB-IoT模塊的發(fā)射時間，數(shù)據(jù)發(fā)射完畢后，一旦收到服務器回應，就立即關閉NB-IoT模塊。

2.7 NB-IoT模塊功耗處理

如圖12所示，NB-IoT模塊M5311[10-11]具有以下3種工作模式：

（1）Active模式：模塊處于活動狀態(tài)，所有功能可正常使用，包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；模塊可以從此模式切換到Idle模式或PSM模式。其工作電流在發(fā)送數(shù)據(jù)時為250 mA，接收數(shù)據(jù)時為38 mA。

（2）Idle模式：模塊處于淺睡眠狀態(tài)，網(wǎng)絡保持連接狀態(tài)，可接收尋呼消息；模塊從此模式可切換至Active模式或PSM模式。其工作電流小于6 mA，標準值是5 mA。

（3）PSM模式：即省電模式，可通過控制Wakeup_IN管腳進行激活。該模式下，模塊只有RTC保持工作，處于網(wǎng)絡斷開狀態(tài)，不再接收尋呼消息；但模塊可通過發(fā)送AT命令喚醒或者定時器T3412超時后喚醒。其工作電流通常小于5 μA，標準值是3 μA。

3 結(jié) 語

基于NB-IoT的智慧室分天線在網(wǎng)質(zhì)量檢測基礎研究與應用表明，其信號覆蓋的功率值在允許的誤差范圍內(nèi)，能夠滿足使用要求。系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)可以通過NB-IoT回傳到獨立的平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)端到端鏈路監(jiān)控，解決了室內(nèi)分布系統(tǒng)網(wǎng)絡的質(zhì)量隱患和監(jiān)控盲區(qū)問題，從而提高網(wǎng)絡優(yōu)化效率，降低網(wǎng)絡優(yōu)化成本。

注：本文通訊作者為黃健安。

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作者簡介：黃健安（1980—），男，碩士，高級工程師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術、自動控制、移動通信、工業(yè)機器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等。

收稿日期：2023-11-30 修回日期：2023-12-27

基金項目：廣州市科學技術局2021年市基礎研究計劃基礎與應用基礎研究專題一般項目（202102080676）；廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目（2021KTSCX224）；教育部科技發(fā)展中心產(chǎn)學研創(chuàng)新基金：新一代信息技術創(chuàng)新項目（金融科技領域）（2019J01002）