基于NB-IoT的遠程抄表系統的硬件設計

唐明軍

（揚州工業職業技術學院信息工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

隨著物聯網技術的飛速發展，“智慧地球”的理念已深入人心，以物聯網技術為核心的各種應用不斷刷新著人們的眼球，然而對于和人民生活息息相關的水電煤公共服務抄表系統卻仍處于較為落后的狀態，所以討論利用物聯網技術改造現代水電煤公共服務抄表系統的方法。NB-IoT（窄帶物聯網）技術作為3GPP R13引入的一個新特性，具備良好的室內覆蓋性能、支持大規模低數據吞吐量、超低功耗及低成本四大優勢[1]。采用NBIoT無線通信模塊進行智能電表、智能水表及智能氣表三表合一的采集，能夠有效解決目前水電煤終端數據的人力采集和數據格式不統一等問題，同時還能夠有效融合地上地下通信、統一多表通信協議、提高數據傳輸速率及擴大系統通信容量，能夠簡化系統運行所需的中繼設備，降低運維成本，減少安裝空間，為智慧水務、智慧燃氣及智慧供電提供遠傳抄表計量數據，進而更好地為智慧城市建設提供服務[2]。

因此設計一種基于NB-IoT技術的多表合一的遠程抄表智能監控系統具有一定的現實意義和經濟價值。

1 系統方案設計

目前，短距離無線通信技術在低功率、廣域覆蓋為特征的物聯網領域已經得到了廣泛應用，而窄帶物聯網（NB-IoT）技術在短距離無線通信技術中具有較強的優勢[3]。窄帶物聯網比其他短距離無線通信（如WiFi）性能更加優越，尤其是在大覆蓋、安全性及可靠性方面更為突出。

本系統方案主要基于NB-IoT技術對居民生活水電煤信息采集終端的信息采集、信息傳輸以及狀態監控，其系統構成主要包括智能計費表、采集終端、NB-IoT基站及服務器。

其中，智能表及與其連接的采集設備負責對用戶的水電煤信息進行采集并計量，計量信息通過Zigbee網絡以極低的功耗發送給NB-IoT基站進行數據匯總，NB-IoT基站連接服務器中心，將采集設備采集的智能表參數通過無線蜂窩網上傳至服務器中心。

2 采集終端方案設計

采集終端是本系統的數據源頭，眾所周知，居民生活所必須的水電煤用量每時每刻都在更新，海量的用戶水電煤計量信息從智能表被采集終端進行周期性采樣，并對數據進行打包，按照一定的發送周期進行數據的上傳[4]。采集終端設備通過無線方式對智能計量表進行周期性數據采集，并通過窄帶物聯網技術以無線方式上傳至基站，因此采集終端本質上是一個相對獨立的電子系統，具有超低功耗、睡眠喚醒工作模式智能切換等特點。

該硬件方案主要基于STM32嵌入式處理器搭載NB-IoT無線通信模塊來構建，主要包含數據采集接口模塊、光耦隔離模塊、按鍵模塊、顯示模塊、NB-IoT通信模塊及電源模塊。

STM32L433是意法半導體公司在2016年度新發布的基于“ARMCortex-M4”的低功耗MCU“STM32L4系列”ARM處理器，CPU內核的最大工作頻率為80 MHz，在本項目中主要負責對數據采集、存儲以及顯示等功能的調度和處理。

數據采集接口模塊主要用于周期性獲取智能表的數據參數，采集模塊主要包含時鐘模塊、存儲器單元、顯示電路及按鍵電路。采集裝置還包含AD/DC轉換電路，數據采集接口通過AD/DC轉換模塊將大電流模擬信號進行采樣和交直流轉換，并通過光耦進行信號的隔離，以有效避免在電磁環境復雜的工業現場模擬信號對數字系統的干擾，有效提高了系統的可靠性[5]。

NB-IoT通信模塊采用上海移遠通信技術有限公司所生產NB-IoT無線通信模塊BC95。它是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊，采用了省電技術，在低功耗模式下（PSW）電流消耗低至5 μA，尺寸僅為23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，能最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產品的需求，同時有效幫助客戶減小產品尺寸，并優化產品成本。BC95無線通信模塊主要將采集到的智能表數據按照NB-IoT無線數據協議打包并發送至NB-IoT基站，BC95無線通信模塊電路原理如圖6所示。BC95模塊集成了豐富的接口資源，包括簡潔方便的射頻接口、UART串口，可以和STM32L433進行方便的數據通信[6]。需注意，NBIoT設備需要運營商網絡支持，所以硬件上必須有能和SIM卡進行數據交互的接口，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST及USIM_VDD等信號則是與SIM卡數據讀寫相關的信號。

電源模塊用于提供整個硬件系統所需電能。電源模塊主要由調壓模塊、恒流模塊、升壓模塊、整流模塊及微處理器模塊組成。其中，調壓模塊用于調節三相電源的三相電壓；恒流模塊用于將三相電源的三相電壓轉換成三相電流源；升壓模塊用于將恒流模塊轉換的三相電流源進行升壓；整流模塊用于對升壓后的電流源進行整流；微處理器模塊用于根據整流模塊輸出的二次電流的大小調節所述調壓模塊。

采集終端硬件系統是一個較為復雜的模擬數字混合系統，在實際調試過程中遇到了一些問題，通過電路飛線及增加一些元器件得以解決。

3 NB-IoT基站及服務器中心介紹

本項目中NB-IoT基站采用華為公司基于3GPP R13 Cat－NB 1標準開發的基站系統。該設備已經在2016年10月經過華為公司和羅德與施瓦茨公司共同完成基本測試成功驗證了空中接口技術和射頻性能。該基站系統采用eRAN 12.0無線版本及符合3GPP TS 36.141 標準的R＆S解決方案，在系統聯調過程中與采集數據模塊通信性能良好，同時也驗證了硬件設備在NB-IoT無線電通信協議規范下的通信可靠性和通信質量。遠程服務器中心主要是用作數據的云存儲和遠程管理，在本項目中主要由移動運營商提供服務器運營和維護服務。

4 結 論

本文探討了一種基于NB-IoT無線通信模塊的遠程抄表智能監控系統的硬件部分。物聯網時代，利用關鍵技術NB-IoT可以實現對人們生活息息相關的水電煤計量系統的智能化管理，降低了人力資源成本。本文對遠程抄表智能監控系統的各組成部分進行了原理解釋，詳細介紹了嵌入式STM32L433及BC95射頻系統的電路結構，特別是對采集部分電路進行了重點介紹。本系統結合樣機調試測試的數據及錯誤進行了硬件電路的修改，并在下一版樣機研制過程中進行完善。