基于NB-IoT模組燃氣表設計

樊超

摘 要：燃氣表隨著通信技術的不斷發展，經歷了多代的技術變革。本文介紹了燃氣表的通信技術演進和NB-IoT無線遠傳表的優勢。首先介紹了遠程抄表的終端層、網絡層、平臺層、應用層的網絡架構;其次對一款基于中移物聯網有限公司出品的NB-IoT模組M5310-A智能燃氣表的整體設計思路進行了闡述，并且從采集、通信、電源、軟件實現等方面詳細介紹了燃氣表的設計。

關鍵詞：NB-IoT;燃氣表;M5310-A;通信模組

1無線通信智能燃氣表的技術現狀

隨著我國近年來大力發展清潔能源，天然氣消費水平快速提升。燃氣表也隨著行業的發展經過了多輪的技術換代。第一代燃氣表是普通的皮膜式機械表，需要人工抄表。第二代燃氣表是IC卡預充值燃氣表，雖然解決了人工抄表但是燃氣公司不能實時監控燃氣表狀況。第三代是有線傳輸燃氣表，基于RS485或MBUS總線等技術的遠距離抄表，但是施工難度大，線纜成本很高。第四代是無線遠傳燃氣表，這種燃氣表采用無線通信技術，有著方便、成本低等特點，越來越受到燃氣企業的青睞。

無線遠傳智能燃氣表也隨著通信技術發展經歷了多個階段。主要包括：以zigbee、433Hz、藍牙等技術為代表的短距離局域網燃氣表和GPRS、NB-IoT、Lora為代表的長距離廣域網燃氣表。而NB-IoT技術是近幾年才出現的最適合燃氣表的傳輸技術。它具有功耗低、廣覆蓋、成本等特點，可以實現燃氣表流量信息的實時采集和閥門控制。

2架構設計：

本文以使用中移物聯網有限公司的NB-IoT模組為例介紹基于M5310-A模組的燃氣表應用設計。該燃氣表選用低功耗STM32系列單片機做為主控器，通過電源管理芯片為其提供穩定的電源，主控器連接按鍵、flash、LED顯示屏外圍接口電路。并且通過采集電路、數字轉換電路、閥門驅動電路與基表相連，實現抄表、溫濕度采集、閥門控制等功能。主控器通過串口與M5310-A模組相連，通過定時上報的形式實現低功耗數據傳輸。本設計總體框圖如下圖所示：

3測量電路設計

在本設計中，燃氣流量測量使用的是超聲波氣體流量計，該流量計主要利用四通道時差法對燃氣流量進行測量。主要工作原理是通過超聲波信號在燃氣管道中順流與逆流時的速度不同來間接測量燃氣的流速，從而換算出燃氣流量。在燃氣管道中氣體的流速與順逆流情況下超聲波到達的時間有關。本設計使用STM32通過SPI接口與TDC-GP22相連。TDC-GP22中的脈沖發生器可以驅動并產生超聲波，并通過時間差進行換算得出燃氣的流量。

4通信電路設計

燃氣表的通信單元主要由M5310-A模組、SIM卡、天線及外圍電路組成。主控器STM32單片機通過串口與M5310-A模組相連，通過二極管和電阻串聯的方式進行簡易的電平匹配，在發射狀態VBAT電源電流可達到500mA以上，為防止電壓跌落電源網絡需串聯47uF的去耦電容，并且為較好去除射頻串擾，還需并聯pF級電容提高VBAT網絡的頻率響應。

模組引腳RF端到天線饋點的射頻信號走線應當嚴格控制為50歐姆阻抗。射頻線上的特征阻抗是指射頻信號在傳輸過程中，PCB線上的每個點對應的阻抗。射頻線的阻抗設計盡量避免突變，因為突變的射頻線會導致射頻信號反射，從而影響射頻信號的質量。射頻走線阻抗的設計通常使用仿真軟件進行仿真和設計。阻抗值主要與介電常數、介質厚度、線寬、共面間距、銅箔厚度等因素有關。在阻抗仿真時需要選用PCB設計的模型，并填寫相關的布線和制程工藝參數。RF網絡上需要預留π形濾波電路，可以針對阻抗不匹配時進行調試。

5軟件低功耗設計

燃氣表由于對功耗要求很高，是典型的MAR-P業務類型。在本燃氣表的設計中設置上報間隔為24h，采用開機駐網、連接物聯網平臺、上行氣表數據、接收下行命令、斷電的使用模型，NB-IoT模組的通信功耗占到了整機功耗的21%，平均一次完整數傳過程耗時約20s，而NB-IoT模組的實際數據收發有效時間在5s以內，約75%的時間段被消耗在駐網階段。而駐網階段由于有AS/NAS層的數據交互，大量功耗被消耗在駐網過程中;并且在駐網成功后，MME與UE中均保存有駐網上下文信息，比如駐留小區信息、GUTI、T3324、T3412等，可充分利用上述已存在的上下文信息以及TAU間隔，實現中間過程斷電或PSM恢復，整個業務流程符合3GPP標準協議流程。

具體實現過程如下描述：

步驟1：首次開機駐網判斷成功后啟動業務數據傳輸

步驟2：傳輸結束之后進入Idle態，保存相關網絡上下文，并計算下次傳輸時間Ttransmit，考慮到計時偏差，終端需預留一定閾值間隔Treserved以防止由于雙方時間不同步導致的網絡端超時，需要滿足條件Ttransmit < T3412+Treserved;斷電或進入PSM狀態，其中T3412為TAU更新間隔。

步驟3：在Ttransmit時間點，MCU喚醒模組，模組恢復網絡上下文，發起控制面數據發送請求，網絡接受后完成數據收發。

重復步驟2-3。

參考文獻：

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