基于NB-IoT技術無線電表計費系統的設計

郭雷崗，盧珊，張慧麗，王兵濤

（1.鄭州電力高等專科學校，河南鄭州，450001；2.鄭州市祥和集團有限公司電力科技分公司，河南鄭州，450001）

1 NB-IoT的發展現狀

1.1 NB-IoT的發展

和其他技術一樣，事物的互聯網概念和定義是基于實際應用。事物互聯得最早的應用程序。1990年初，創造性地生產了分散在美國街道上的在線焦炭自動販賣機，事先實踐了互聯網的基本概念。麻省理工大學（MIT）的凱文·阿什頓教授首先明確闡述了1999年的網絡概念。簡單易懂的說明是，所有的內容都可以通過網絡相互連接。2003年，繼著名的美國雜志技術評論之后，隨著全球互聯網的普及，作為在各個領域廣泛使用的“改變未來人們生活的10種新技術”被選擇。另外，本研究提出的智能儀表讀取系統是傳感應用之一1）傳統的儀表讀取方法有一些問題，如高勞動成本、大錯誤、低實時性和大的人的影響因素，它不再適合現代快速生產和生活。因此，不需要實時將各個房間的數據直接讀入電腦室，可以減少不必要的浪費。使用NB-IoT的智能儀表讀取系統不僅可以大大提高傳統網絡連接系統的讀取效率，而且考慮到各種對象之間的連接，使用較少的模塊解系統整體性能下降，系統整體性能下降。傳統互聯網系統中使用的設備耗電大，因此不能長時間獨立工作。所以，越標準規格的新單元格網絡的需求量就越大。第二，裝置必須為低功耗裝置，而且能夠長時間地獨立工作。最后，它有一個強大的覆蓋，一個特別關鍵的事情是互聯網分公司NB批次（窄帶LNTENET網絡）,NB有一個簡單的結構和狹窄的占用帶寬（只有180kHz)，擁有建設和低功耗的優勢。例如，我認為NB批量是基于蜂窩網絡的，可以直接在低成本的GSM網絡、UMTS網絡和LTE網絡等多個網絡系統中展開。NB批量支持低功率設備的蜂窩數據連接，被稱為低功率廣域網絡（LPWAN)，它支持長時間的待機和高要求的網絡連接提供非常全面的室內移動電話數據連接覆蓋。這些優點在感測系統中被廣泛使用。

1.2 項目概述

最近，為了確保人們生活和財產的安全性，依次發布了相關的紅頭文件，并對防止電氣火災、防止地區電氣火災的必要條件和實施方法進行了詳細說明加快建設使用系統和事物的互聯網，通過大數據人工智能和其他技術和知識領域的數據挖掘和分析，發現隱藏的危險性，識別隱藏的危險種類，對隱藏的危險發生和開發的法則進行洞察預測隱患發展趨勢，將相關危險因素與社會化服務系統相結合，最終實現預測和早期警告，隱患措施社會服務和政府信息收集將連接到安全的生產防止系統預測和早期警惕生產中隱含的危險性和安全性事故和社會化服務，提高了早期火災和預防和電氣火災安全性事故的控制能力，實現了市場電氣火災事故大幅減少的目標，確保人們生活和財產安全的目標。

本項目旨在構建學校安全的電力管理系統，安全電力管理云平臺通過單技術互聯網引發電火災（電纜溫度、電流、電壓、殘余泄漏、電能）的主要因素進行連續數據跟蹤和統計分析，依靠電氣危險性、物技術互聯網、云計算等大數據分析技術，實時電線和電氣裝置的潛在安全風險（例如異常的電纜溫度、短路、過載、過電壓、過電壓、漏出等）我們將通過互聯網技術整合離線服務機構，為相關單位提供廣泛的離線處理服務，以避免電氣火災大幅度減少標區域的電火災概率，發生電火災，防止災害的發生。

2 NB-IoT的設計

2.1 系統方案設計

目前，短距離無線通信技術在以低功率和廣域覆蓋為特征的互聯網領域被廣泛使用，在窄帶無線通信技術中，窄帶無線通信技術具有很強的優點。雖然窄帶互聯網的性能比其他短程無線通信（WiFi等）更好，尤其是大的報道、安全性和可靠性。系統計劃主要基于用于監測信息采集、信息傳遞、住宅用水、電力和煤炭信息采集終端的狀態的NB-IoT技術。系統配置主要包括智能計費機，獲取終端，NB-IoT基站和服務器。其中，智能儀表及其連接設備有責任收集和測量用戶的水、電、煤信息。測量信息通過網絡以非常低的功率消耗通過數據摘要發送到NB-IoT基站。NB-IoT基站連接到服務器中心，并通過無線設備網絡向服務器中心發送由獲取設備收集的智能儀表參數。

2.2 采集終端方案設計

取得終端是系統的數據源。眾所周知，居民生活所需的水、電、煤的消費一直在更新。大量用戶水、電和煤測量信息由獲取終端從智能儀表定期采樣，并根據一個傳輸周期進行封裝和上傳。取得終端裝置無線收集智能儀表的周期數據，通過單技術的窄帶因特網無線上傳到基站。因此，取得終端基本上是相對獨立的電子系統，具有超低消耗功率、休眠模式、智能切換等特性。硬件系統主要包括數據輸入輸出接口模塊、光耦合器分離模塊、鍵模塊、顯示模塊和NBIOT通信模塊。基于stm32嵌入處理器，其中還包含大功率模塊的NBIoT無線通信模組。其中stm32l 433是基于2016年由意大利和法國的零點五工業企業最新發售的"Arm contex-m4"的低輸出mcu"stm32l4系列"單臂數據處理器。CPU內核的運行頻段為八十MHz。在項目中主要承擔著數據獲取、積累、顯示等功能的調度與管理。而數據獲取接口模塊則主要用來周期性地獲取智能裝 置的數據參數。獲取模塊中主要包含了時鐘模塊、存儲單元、顯示電路和鍵電路。同時獲取裝置中還包含了AD/DC切換電路。數據獲取接口通過A/D變換模塊，對高頻電流的模擬信號進行取樣、變換，并通過光電耦合器對信息進行隔離。有效防止或干擾在復雜的電氣環境中，工業領域的數字控制系統上的模擬信號，從而有效地增強了控制系統的安全性。NB-IoT通訊模組則采用了上海移動通信科技株式會社所研制的NB-IoT無線通信模組BC95，并使用省電技術和低耗電模塊（psw)。這能夠達到大約5%的最低電量損耗，產品規格為23.×19.，為了最大限度地實現對小模塊產品及終端設備的要求，客戶還可減小產品規格，以優化生產成本。BC95無線通信模塊主要封裝根據NIOT無線數據協議收集的智能樂器數據，并發送給NB-IoT基站。BC95模塊將集成豐富的接口資源，包括簡單方便的RF接口和UART串行端口，以促進與STM 32L433的數據通信。另外，由于NI OTT裝置需要運營商的網絡支持，所以具有能夠與SIM卡、IOMINT CLK RESSIMMM、USIMANT數據MSIMUNR RST、USMINN VDD交互的接口。功率模塊用于提供所有硬件系統所需的功率。功率模塊主要由電壓調整模塊、恒流模塊、升壓模塊、整流穩壓模塊和微處理器模塊等組成。其中電流調節模塊用來調整由三相電源的三相電壓。而恒流模塊用來把由三相電源的三相電壓轉換成三相電流源，而整流器模塊則用來對由恒流模塊變換的三相電流源進行升壓。微處理器模塊隨后使用整流器模塊對增強的輸出電壓源進行整流，并通過二次額定電流輸出來調整穩壓調節模塊。獲取終端的硬件控制系統即為最復雜的模擬－數字混合系統。我們已經在電路線上處理了實際調試過程中出現的若干問題，并添加了若干組件。

2.3 計費功能設計

網上購物和網上支付變得平凡了，但是購物網還出現了。收費管理系統結合了互聯網燃氣NB-IoT模塊的無線通信功能，具有無線通信過程的加密和解密系統、網絡、支付寶、信用卡和在線銀行等第三方支付功能。為了實現燃氣用戶的自服務，在線購物氣功能源。加密和解密系統采用3DES+MAC加密。mac算法是不對稱的不可逆算法。在計費系統與因特網燃氣表通信之前，16字節的16進制代碼密鑰集和8字節的16進制代碼加密因子集必須預先設置，以加密和解密再充電命令和響應命令。在收費模塊中，系統設計了兩種模式：離線充電和在線再充電。在前者對用戶進行了再充電之后，收費系統首先保存收費解析數據庫的用戶再充電信息。當無線通信隨后建立時，計費系統從數據庫讀取原始地重新充電信息，加密MAC，然后將其發送到經由無線信道的NB-IoT模塊。在接收到加密數據之后，對燃氣儀表的ESAM模塊進行再充電處理的解碼、驗證和積累。接下來，如圖1所示，響應命令被發送到計費系統的NB-IoT模塊，并且當完成所有氣體購買過程的用戶重新充電時，計費信息被直接加密并被發送到IOT燃氣儀表。其他工序和上述相同。

圖1 物聯網購氣流程圖

2.4 綜合界面

安全電力管理平臺提供綜合監測接口以綜合顯示諸如泄漏、過溫、斷線、短路、過電壓、過電壓等信息，并對這些信息進行均勻分析。保守負責人可以直觀地理解現有系統的安全性。系統可以根據不同的角色和賬號登錄。

圖2 界面圖

系統采用B/S結構網站方式設計和建設，配合移動客戶端，使用方便。

系統是完全按照Web技術設計的。任何管理部門的任何用戶，相關人員都可以通過互聯網訪問系統網頁，以便在任何地方都可以獲得相應的許可。用戶還可以登錄，智能手機（通過安裝應用程序的客戶端，必須同時使用IOS的版本和Android的版本）。

圖3

圖4

點擊“視圖”按鈕，跳轉到隱藏危險巡邏界面或處理隱藏危險接口的界面。關于隱藏的危險性和課題的具體說明如下。

隱患：它意味著在發生隱患后，沒有下達工作命令，并且相關人員必須分配來處理；

任務：參照當前登錄時必須完成的任務順序，形成隱藏的危險處理的閉環。

2.5 基于監測數據的隱患分析及監管系統

通過對電力線的各種重要電特性數據進行多維建模和分析，例如電纜的溫度、電流、剩余電流等，系統可以更準確地反映輸電線路的狀態，并且發現隱患還可以識別隱藏的危險性類型，而且不能識別隱藏的危險性類型，還可以理解隱藏的危險性法則，預測隱藏的危險性的開發動向。系統根據負責的主題和管理科目的不同，向不同的用戶提供不同的軟件平臺。負責主題的軟件平臺，會讓你實時回憶，集中于活躍地控制實際隱藏的危險。管理機構的軟件平臺專注于評估區域安全狀態和跟蹤隱患處置，為社區、所有者、生產和商業單位提供在線服務。

圖5

以隱匿危險統計曲線的形式顯示，在歷史上顯示與每月隱藏的危險性統計信息的比較；本月以下的統計顯示了那個月的故障和警報的總數。所有這些統計數據均引用當前登錄用戶和所有相關項目的隱患（包括缺點和警報）總和。

根據與當前登錄用戶關聯的所有項目的地理位置動態展示地圖范圍，支持放大和縮小查詢。

圖6 地圖查詢

3 小結

本文討論了基于NB-IoT無線通信模塊的遠程儀表讀取智能監視系統的硬件部分。在互聯網時代，NB-IoT可以實現與人類生活密切相關的水力、煤炭計量系統的知識管理，減少人力資源的成本。說明了遠程儀表讀取智能監視系統的各構成要素的原理，并介紹了嵌入stm32l 433、bc95rf系統的電路結構，特別是取得部的電路。該系統修正了將原型調試、測試數據和錯誤組合在一起的硬件電路，并在原型的下一個版本的開發過程中得到了改善。

貿澤開售Analog Devices用于衛星通信的ADMV4540K波段正交解調器

2022年3月,貿澤電子備貨Analog Devices ADMV4540 K波段正交解調器。ADMV4540是一款高度集成的正交解調器，帶有內置合成器，適用于需要全戶外裝置的新一代K波段高通量地面端衛星通信系統。

貿澤電子分銷的Analog Devices ADMV4540正交解調器是一款單芯片解決方案，供電電壓為3.3V，總功耗低于3.2W。該器件帶有內置合成器，此合成器包含壓控振蕩器(VCO)、下變頻器、濾波基帶放大器、低噪聲放大器(LNA)和串行外設接口(SPI)控制功能，能讓設計人員進一步壓縮整體占用空間。該器件的射頻前端由兩個LNA路徑組成，可支持多天線極化，工作頻率范圍為17GHz至22GHz。每個路徑都具有優化級聯的5dB雙邊帶噪聲系數，可獲得高增益。通過器件的可編程4線SPI可對LNA路徑進行選擇。