一種基于NB-IoT的物聯網燃氣表研究設計

高柱榮

(桂林市利通電子科技有限責任公司，廣西 桂林541004)

摘 針：針對物聯網技術的發展現狀和智能燃氣表對低功耗與強連接的需求，提出了一種基于NB-IoT技術的物聯網智能燃氣表的設計方案。該方案采用瑞薩R7F0C004芯片作為MCU采集燃氣計量數據，以N700-58為通信模組實現網絡連接，業務數據經由CoAP協議封裝后發送到電信AEP平臺，再由AEP平臺推送到燃氣表業務管理平臺系統實現數據通信。測試結果表明，所設計的燃氣表終端無論是在連網收發數據，還是在低能耗方面都達到了預期的設計目標，能夠很好地滿足應用需求。

0 引言

近幾年，隨著物聯網技術的快速發展和我國智慧城市建設的推動，5G、NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)、GPRS、LoRa、WiFi和藍牙等技術得到了廣泛應用。其中，NB-IoT作為一種窄帶物聯網的新興技術，具有高覆蓋、強連接、低速率、低成本、低功耗等優勢，并且使用授權頻道，由電信運營商負責組網運營，網絡信號穩定、抗干擾能力強、數據傳輸安全可靠，逐漸成為了物聯網通信技術的首選[1-4]。特別是在燃氣表和水表行業，終端主要是采用電池供電，更換一次干電池需要能工作12個月以上，如果采用鋰電池供電，則要求一顆容量為8.5 Ah的鋰電池能工作10年(與燃氣表的使用年限相同)，并且，一般都還要求每天至少連網通信一次。正是如此苛刻的能耗限制，使得NB-IoT技術在水、氣表行業應用中脫穎而出。

本文介紹了一種基于NB-IoT通信技術的物聯網智能燃氣表系統設計。

1 系統方案

本文設計的物聯網燃氣表的整個應用系統方案主要由燃氣表終端、NB-IoT網絡、中國電信AEP平臺和燃氣表業務管理平臺4部分組成[5]。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

中國電信AEP平臺是中國電信傾力打造的智能終端匯聚、應用開發運行服務和輕量級應用服務的物聯網平臺。平臺具有終端接入、終端管理、消息推送、規則引擎和數據存儲等多種能力，同時提供了端到端的安全認證和安全傳輸雙重保障機制，方便客戶對接智能終端，快速集成應用。

燃氣表終端利用NB通信模組與NB-IoT網絡建立連接，使用CoAP協議經NB-IoT網絡將數據發送到AEP平臺，再由AEP平臺使用HTTPS協議將數據發送到燃氣表業務管理平臺。

方案中的NB-IoT網絡和AEP平臺為公共資源，由運營商提供，燃氣表終端和業務管理平臺需要自主開發，本文主要研究燃氣表終端。

2 硬件系統設計

2.1 系統硬件結構

物聯網燃氣表終端的主要功能是采集計量燃氣的使用量，上傳氣量數據及表具內狀態數據到業務管理平臺系統，同時接受平臺系統下發的查詢、校時、閥門控制等指令，并執行相應的操作，完成燃氣計量收費及管控的功能需求。

本系統以高性價比和超低能耗完美兼得的單片機瑞薩R7F0C004作為主控MCU，其內部高速振蕩器系統時鐘可高達24 MHz，片內具有128 KB代碼Flash、2 KB數據Flash和8 KB RAM，數據Flash可用于存儲燃氣表的運行數據，代替外部EEPROM存儲器。系統的主要功能模塊包括NB通信模塊、紅外近程通信模塊、蜂鳴器模塊、實時時鐘模塊、LCD顯示模塊、電源及電壓檢測模塊、閥門驅動模塊、膜式燃氣表、脈沖計量采集模塊等[6-7]。系統硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構

2.2 NB通信模組電路設計

物聯網燃氣表通過NB通信模組連接上NBIoT網絡，再與業務管理平臺系統交換數據，完成燃氣計費及表具管控等業務。本設計選用深圳廣和通公司的N700-58通信模組，N700-58是一款高性能、低功耗的窄帶物聯網無線通信模組，符合3GPP R13和R14標準，支持Band5和Band8頻段，內嵌TCP、UDP、CoAP、MQTT等多種協議棧，方便終端應用開發。

MCU使用串口與NB通信模組進行連接通信，由于NB通信模組的端口電壓是1.8 V，而MCU的端口電壓是3.3 V，故需要使用三極管做一個電平轉換電路才能正常通信。NB通信模組電路如圖3所示。

圖3 NB通信模組電路

2.3 閥門驅動電路設計

兩線直流電機閥是目前智能燃氣表中使用最為廣泛的一種閥門，價格便宜且實用可靠。開(關)閥門的始動電流一般在150~300 mA之間，正常行程的電流在20 mA左右，而開(關)到位后的堵轉電流卻與始動電流一樣大，如果閥門進入堵轉階段后不及時停止轉動，持續的大電流消耗對整個系統的供電是一個挑戰，很容易造成系統復位。本設計采用AT9110A芯片驅動閥門，芯片的工作電壓范圍為2.5 V~18 V，連續電流輸出能力為800 mA，完全滿足驅動閥門的需求。在電路中再加上一路AD檢測，可檢測到正常行程階段與堵轉階段的電壓值變化，從而判斷出閥門開(關)是否已到位，及時控制閥門停止轉動。閥門驅動電路如圖4所示。

圖4 閥門驅動電路

MCU輸出高電平到ValveC1端口，同時輸出低電平到ValveC2端口，或輸出電平相反，實現電機馬達M1的正反轉，從而實現閥門的打開或關閉。在閥門執行動作的過程中，每間隔10 ms通過ValveCHK端口檢測一次電壓，以判斷閥門是否已執行到位，進入了堵轉階段。

2.4 紅外通信電路設計

在物聯網燃氣表的生產和測試階段，需要有一種簡單方便的方法對燃氣表的運行參數進行配置，另外，對于已經安裝使用的燃氣表，如果發生故障不能連網了，上門維修的人員也需要有一種方法在不拆表的情況下，就能讀取表具內的信息，分析出故障原因并修復。居于這兩方面的需求，成本低廉的紅外近程通信技術成為了首選。圖5是紅外通信的電路，圖中IR_TX和IR_RX連接MCU的串口引腳，當需要進行紅外通信時，連接IR_VCTR的引腳置低電平，給紅外通信電路供電并工作。

圖5 紅外通信電路

2.5 計量采集電路設計

把兩個可配置為中斷模式的I/O引腳作為計量數據采集端口，端口電平外部上拉到VDD(3.3 V)。計量干簧管S1和S2安裝在膜式燃氣表計數器末位數輪(裝有一個磁鋼)的上下兩端，當使用燃氣時，末位數輪轉過一圈，磁鋼把S1和S2先后各吸合一次，拉低采集端口的電平，從而產生中斷，MCU收到兩路中斷，表明燃氣又消費了0.01 m3。計量采集電路如圖6所示。

圖6 計量采集電路

3 軟件設計

3.1 軟件結構

物聯網燃氣表終端的控制系統軟件，按層次結構可劃分為主程序、中斷服務程序和功能模塊子程序三種組成部分[6-7]。中斷操作包括按鍵中斷、干簧管計量中斷和定時器中斷等，中斷服務程序僅做一些簡單的條件判斷和標志中斷事件的發生。功能模塊子程序主要有定時器操作模塊、燃氣計量模塊、蜂鳴器提醒模塊、數據存儲模塊、LCD顯示模塊、電機閥控模塊、紅外近程通信模塊、NB網絡通信模塊、電壓檢測和掉電處理模塊等。軟件采用C語言進行開發，開發平臺使用Renesas CS+for CC集成開發環境。

3.2 數據報文定義

數據傳輸的可靠性和準確性需要合理的通信協議。其中，協議的數據報文部分，本文根據應用業務需要，采用自定義方式對數據報文進行定義。報文幀由幀起始符、數據長度、指令ID、信道標志、指令數據域、檢驗碼和幀結束符組成，具體的報文定義如表1所示。

表1 報文幀結構

通信傳輸時，還需要將報文幀包經由CoAP協議打包后再傳輸[8]。報文幀中的指令ID字段，作為一次指令傳輸的唯一標識，由指令發起方生成，應答方則是直接返回相同值，表明該數據包是對某一指令的應答幀。指令數據域則是按不同的業務指令定義其數據格式，指令數據結構定義如表2所示。

表2 指令數據結構

3.3 網絡通信及低功耗設計

NB網絡通信的低功耗特性依賴于其工作機制的兩種低功耗模式：PSM省電模式和eDRX擴展非連續接收模式[9-11]。NB通信模組的耗電流，在PSM模式下最低可低至5μA。不過，燃氣表在正常使用的情況下，每天僅主動連網一次與業務管理平臺服務器交換數據，不需要實時在線。因此，燃氣表的NB通信模組不需要進入低功耗模式，每次需要通信時給NB通信模組供電，通信結束后斷電，這種方法比采用低功耗模式更加省電。

要進行通信，首先初始化MCU與NB模組連接的串口，給NB模組供電，再拉低模組的POWER_ON引腳至少800 ms使模組開機。之后，MCU通過AT命令集與NB模組進行交互與控制[12]，先后完成SIM卡身份認證、網絡附著、申請IP地址、連接電信AEP平臺、發送接收數據等操作。表3是通信過程中使用的主要AT命令集。

表3 主要AT命令集

4 測試

4.1 NB通信測試

本文使用10臺NB物聯網燃氣表樣機，結合電信AEP平臺和燃氣表業務管理平臺系統，對燃氣表連接NB-IoT網絡、上行發送數據到服務器和接收服務器下發數據進行測試[13-14]。把燃氣表配置為定時連接模式，每10 min主動連網一次，如果連網失敗，則在3 min后再重連一次，前5臺樣機使用全新的電池，后5臺樣機使用舊電池，4節舊電池的電壓在5.4~5.7 V之間，測試結果如表4所示。

由表4可以看出，只要連網成功(包括重連成功)，接下來的發送和接收數據都很順利。而連網失敗的，則集中在使用舊電池供電的5臺樣機，可能是電池的電壓已接近限制使用電壓值，無法保障短時間內多次連網的電能需求。

表4 NB通信測試

4.2 能耗測試與分析

燃氣表終端采用4節5號堿性電池供電，且更換一次電池需要可用12個月以上，產品才能被市場接受。所以，低功耗設計是產品的一大重點。以下是各主要耗電部分的實測數據和分析：

(1)靜態電流。燃氣表的絕大部分時間都處于休眠狀態，實測得其靜態電流為10μA。

(2)通信電流。每天連網通信一次，每次通信在30 s以內完成，使用一臺安捷倫66319D程控電源測試通信過程，測得其平均工作電流為85 mA，把該工作電流再均攤到24 h，得出平均通信電流為29.51μA。

(3)脈沖計數電流。假設每天使用燃氣5 m3，計數輪轉500圈，共產生1 000個脈沖。MCU處理每一脈沖大約需要10 ms，工作電流為3.8 mA。由此可計算得出平均計數電流為0.44μA。

(4)閥控電流。假設每月閥門開或關共6次(正常運行的情況下為0次)，每次工作3 s，工作電流為50 mA。由此可計算得出平均閥控電流為0.34μA。

(5)其他耗電流。主要有大電容的漏電流、蜂鳴器和LCD等的耗電，平均耗電在3μA左右。

由此可得燃氣表終端的平均耗電流為43.29μA。

為取得干電池的容量值，針對市面上常見的3種5號堿性電池做了放電測試，電壓從1.5 V降至1.275 V，其放出電量基本都在1 000 mAh左右。另外，考慮到電池自放電及其他因素，一般以可用電量的80%作為實際可用電量。因此，以800 mAh電量來計算，得出電池的使用年限為2.1年[15]：

5 結論

本文從系統軟件、硬件和低功耗等方面，詳細介紹了一種NB-IoT物聯網燃氣表的設計方案。隨著NB-IoT技術的快速發展，以及我國三大電信運營商的大力推廣，采用NB物聯網技術已成為水、電和氣表發展的主流方向。本文研究設計的物聯網燃氣表正是順應發展趨勢，其市場前景廣闊，相信將會有非常好的商業價值。