一種應用NB-IoT技術的預付費燃氣表裝置的研究

楊友良 陳宇擎 馬翠紅

摘 ?要： 文中設計采用區別于廣域物聯網的窄帶物聯網技術進行預付費燃氣表的通信傳輸，解決了廣域物聯網所需基站多、覆蓋范圍小的問題。應用NB?IoT技術的預付費燃氣表裝置的設計采用模塊化的方式。主控制器選擇MSP430F4152，采用SARA?N2系列模塊實現無線數據的傳輸功能，軟硬件設備相互配合，更好地實現數據的實時監測、自動傳輸、物聯網付費及遠程調價等功能。通過低功耗測試實驗表明，該裝置通信性能好，計費測量準確，電能消耗量低，使用壽命長。

關鍵詞： 預付費燃氣表; 窄帶物聯網; 系統設計; 數據傳輸; 遠程調控; 能耗測試

中圖分類號： TN915?34; TP216 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0091?04

Abstract： In this design， the narrow?band Internet of Thing （NB?IoT） technology different from the wide?area IoT is used to carry out the communication transmission of the prepaid gas meter， which solves the problems that the wide?area IoT requires many base stations and has a small coverage. The prepaid gas meter device applying NB?IoT technology is designed in a modular manner. The MSP430F4152 is selected as the main controller， the SARA?N2 series modules are adopted to realize the transmission function of the wireless data， and the hardware and software devices are cooperative with each other to better realize the functions of real?time monitoring and automatic transmission of data， IoT payment and remote price adjustment， etc. The testing experiment results of low?power consumption show that the device has good communication performance， accurate billing measurement， low power consumption and long service life.

Keywords： prepaid gas meter; NB?IoT; system design; data transmission; remote control; energy consumption test

0 ?引 ?言

近幾年，物聯網技術、云計算以及大數據分析都在迅猛發展，國家相關部門提出豐富智能終端高級測量系統的實施功能，使得水表、氣表、電表、燃氣表能夠穩步實現集中采集和集中抄表[1]。目前常用的智能燃氣表有智能卡表和無線抄表，其中智能卡表在使用中自動扣除費用，方便公司管理收費，但也存在需要生產智能充值卡增加成本的問題;無線抄表主要采用無線射頻或ZigBee 進行數據傳輸，這種表存在傳輸距離短、覆蓋范圍小、需要基站多的問題，增加了建設和維護成本[2?3]。NB?IoT技術是一種獲得國際認可的新興物聯網技術，在近幾年的發展中受到國家的大力扶持，因其低功耗的優勢獲得企業的廣泛關注，它為物聯網中的海量設備提供連接，化簡了網絡拓撲結構，實現了超強待機的功能[4]。此項技術更適合靜態業務場景，應用于抄表系統中大有裨益[5]。

1 ?應用NB?IoT技術的燃氣表裝置總體設計

為提高整個遠傳智能燃氣表裝置運行的準確性，選用單片機作為整個裝置的核心模塊，選用CPU卡作為整個系統信息存儲與交換的載體。對于系統的運行參數，如用戶購買氣量、管內剩余氣量等信息都保存在E2PROM中。四聲道超聲流量計對氣體流量值進行檢測，溫度、壓力傳感器對燃氣表的使用環境進行輔助監測，利用NB?IoT通信模塊將各種數據資源實時輸送到PC端，使得燃氣用戶和管理人員可通過網絡訪問后臺服務器獲取數據信息，使得應用NB?IoT技術的天然氣表更加智能化。

應用NB?IoT技術的預付費燃氣表裝置整體設計框圖如圖1所示。

預付費遠傳智能燃氣表實現功能為：天然氣流量的計費與控制、設備的顯示與報警、信息的上傳和交互。報警情況如下：電池欠壓、管道氣體過流、閥門打開及關閉、室內燃氣泄漏、系統非正常操作、用戶欠費等。當設備報警時，電動機閥門關閉，蜂鳴器發聲，顯示屏報警顯示。

2 ?NB?IoT介紹

窄帶物聯網技術（NB?IoT）以它低功耗的優勢使設備更易在廣域物聯網中進行連接[6]。NB?IoT的主要優勢體現在以下幾個方面：

1） 低功耗低成本

NB?IoT技術對其存儲信息、射頻天線電路、適用算法的要求都比較低。NB?IoT無需重新建立服務器，可對三大運營商現有的服務平臺進行租賃，得到較低的建設維護成本。

2） 廣覆蓋

NB?IoT具有良好的信號穿透能力，在密集建筑物、地下室、隧道內都能實現良好的覆蓋。

3） 強連接

NB?IoT的單個扇區可達到上萬的連接量，在同等條件下是傳統移動通信技術的50～100倍。

NB?IoT技術的優勢使得其在智能電表、智能氣表、智能水表等設備的遠程管理上具有較好的應用，能有效地解決當前物聯網遠距離數據傳輸不穩定和設備功耗較高等問題。用戶設備終端通過安裝相應SIM卡的方式接入NB?IoT網絡，并實現與運營商所部署的NB?IoT基站之間信息收發，并進一步經過核心網實現基站與物聯網云平臺的連接，物聯網云平臺完成各類業務的運算與處理，所得到的結果可反饋到用戶設備終端，也可使用行業應用設備讀取[7]。

預付費燃氣表裝置的研究在感知層收入傳感器信息，并通過微控制器對電動閥門的開關進行控制，所融合的傳感器信息通過NB?IoT傳輸層與平臺層上傳到應用層的天然氣運營管理系統，進行數據的交換與分析以及綜合業務的管理。

3 ?預付費遠傳燃氣表的硬件設計

3.1 ?單片機最小系統

應用NB?IoT技術的預付費燃氣表裝置采用MSP430F415作為設備的主控制器，為配合MSP430F415微控制器實現超低功耗，將外圍電路按功能劃分成各個模塊，并將CPU調整到適配狀態，使外圍電路能夠在不受CPU工作狀態的影響下獨立運行[8]。以MSP430F415為主控制器的最小系統如圖2所示。復位電路由10 kΩ的電阻與0.1 μF的電容組成，實現上電復位和手動復位的功能。32.768 kHz的超低功耗晶體振蕩器能有效地降低系統功耗。系統采用的兩個12 pF的電容作為旁路電路，來降低數模電源帶來的干擾。其中需要在模擬電源和數字電源之間加入一個0 Ω電阻和一個10 mH電感，進行電路的隔離處理。

3.2 ?閥門驅動電路

應用NB?IoT技術的燃氣表中對于閥門電路的控制也至關重要，本次設計采用DRV8832DGV芯片，它的作用是實現系統小電流向大電流的轉換。該芯片能實現電動機閥門的安全啟動，以及設備的過壓、限流、過溫保護。芯片的正常工作電壓為2.75～6 V，輸出最大電流為1 A，對PWM電壓的管理能力[9]達到94%，使系統更加安全高效。單片機的P2.1口和P2.2口連接芯片的輸出端，兩個端口通過控制電平的高低來實現電機的正反轉，從而實現電動閥門的打開或關閉。預付費天然氣表的閥門電機電源線與驅動芯片的OUT1和OUT2端口相連。

3.3 ?窄帶物聯網通信模塊的設計

預付費遠傳燃氣表通信模塊的設計采用瑞士U?blox公司生產的SARA?N2系列模塊，其單個單元的工作時常可達到10～20年之久，有效地提高家庭用表的工作年限，工作溫度在-40～85 ℃，能在工業用表中進行推廣。

基于SARA?N2模塊的預付費遠傳燃氣表通信電路圖如圖4所示，模塊支持串行通信接口UART，因RESET_N中存在上拉電阻，可與單片機直連。當單片機產生復位信號時，復位引腳RESET_N邏輯為0，其余時段保持為邏輯1。單片機與通信模塊之間采用串口異步收發傳輸器。在SIM卡直接相連的電路上并聯接地電容，防止天線造成電流干擾，ANT_DET 管腳為檢測管腳，其輸出1個直流電流，用以檢測是否連接天線。

4 ?預付費遠傳燃氣表軟件設計

4.1 ?總體軟件程序設計

預付費燃氣表設備的軟件功能主要包括CPU卡數據模塊的讀寫操作以及數據間的加密傳輸、燃氣流量的計量、對電壓的數模采樣、無線通信報警、設備端的屏幕顯示。系統在進入主循環之前首先進行復位操作，并在特殊功能寄存器中設定初始值，將內部存儲單元清零。進入主循環之后，先進行故障判斷，若發生故障則進行關閥處理，單片機停止運行，報警模塊進行報警。當燃氣表中的氣體量低于設定的最低值時，顯示模塊顯示“氣量不足，請購氣”。當流量采集模塊檢驗到管內氣體量不足時，單片機控制電動機閥門關閉，預付費天然氣表停止工作。

4.2 ?中斷程序設計

中斷程序需要明確各個子模塊功能，為此采用模塊化的設計方式對天然氣預付燃氣表裝置進行設計，充分明確了各個模塊的入口與出口。中斷程序的主要軟件模塊有：系統掉電處理子模塊、CPU卡操作子模塊、脈沖處理子模塊、設備泄漏報警子模塊以及電壓檢測子模塊。

5 ?系統能耗測試

應用NB?IoT 技術的預付費燃氣表的推廣需要降低其各模塊功耗，系統低功耗測試如表1所示。從表中發現，預付費燃氣表裝置的系統功耗分為休眠功耗和工作功耗。系統除了主MCU、采樣模塊、通信模塊外，其余模塊大部分時間處于休眠狀態，系統的電流消耗約為：

6 ?結 ?語

針對于當前廣域物聯網領域中遠傳燃氣表出現的所需基站多、覆蓋范圍小的問題，對預付費型遠傳燃氣表裝置采用NB?IoT技術進行通信傳輸。外圍電路的搭建和內部軟件的設計以降低能耗為主要標準。實驗結果表明，這種應用窄帶物聯網技術的預付費型燃氣表具有更成熟的網絡功能和更高的使用年限，為消費者和公司提供一個安全便利的天然氣貿易估算平臺[10]。

參考文獻

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