基于Cat.1技術的燃氣智能抄表系統設計

林海棠，溫學強，郭建輝，李中陽，章國茂

(浙江蒼南儀表集團股份有限公司，浙江 溫州 325800)

0 引言

工信部發布的《關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》，明確窄帶物聯網(narrow band Internet of Things,NB-IoT)和Cat.1為蜂窩物聯網重點承載技術[1]。NB-IoT憑借廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等特點，可滿足大規模的窄帶低速率需求，適用于低功耗但實時性不強的業務場景[2-3]。與NB-IoT相比，Cat.1在網絡覆蓋、速度、時延方面具有優勢；與傳統的Cat.4相比，Cat.1具有成本低、功耗低的優點。Cat.1適配于當前的4G網絡，非常適用于對性價比、時延性、覆蓋范圍、通信速度有要求的場景[4-5]。

本文設計了一種基于Cat.1技術的燃氣智能抄表系統。該系統可實時采集、監測燃氣流量計的用氣數據和報警狀態，定時間隔主動上報至系統，實現了對燃氣流量計的遠程監控。

1 系統架構設計

燃氣智能抄表系統體系架構由信息基礎設施、公共信息平臺和信息應用系統三部分組成。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

終端層是燃氣流量計，自動采集用氣測量數據以及溫度、壓力等物理量數據和其他異常告警信息，并將采集的數據與信息實時上報至主站。

網絡層包含主站公共信息平臺與終端層燃氣流量計之間的遠程通信信道，采用Cat.1網絡建立遠程信道，實現主站與燃氣流量計終端設備之間的數據和命令傳輸。

數據層通過數據存儲、交換、整合、管理等方式，形成具有標準數據格式的燃氣數據庫。

平臺層通過云計算、面向服務的架構體系、中間件等技術構成燃氣智能抄表平臺，直接支撐應用層，為應用層提供數據、業務、技術服務。

應用層包括燃氣繳費、緊急報警、遠程監控、信息查詢等服務，為用戶層的燃氣公司、公眾、智慧城市提供燃氣管理、燃氣監測、燃氣計量數據和信息服務。

2 硬件設計

2.1 核心控制模塊

燃氣流量計由溫度、壓力檢測數字通道、流量檢測數字通道以及微處理器單元、液晶驅動單元、防剪斷防強磁檢測單元、Cat.1無線通信模塊和其他輔助電路組成。系統硬件框架如圖2所示。

圖2 系統硬件框架圖

該設計采用TI公司的MSP430F5438微控制器作為主控芯片。其外部設有的電源電路、晶振電路以及復位電路共同組成單片機最小工作系統，確保主控芯片的正常運行[6-7]。從各傳感器輸出的多路信號，經微控制器處理后轉換成溫度、壓力、瞬時流量，通過瞬時流量對時間積分得到累積流量。微控制器實時采集防剪斷、防磁干擾信號，檢測燃氣流量計的異常報警狀態。內嵌的Cat.1無線通信模塊將運行數據上報至燃氣智能抄表平臺，實現遠程抄表功能。

2.2 Cat.1無線通信模塊

Cat.1無線通信模塊實現燃氣流量計與智能抄表平臺之間的遠程通信。ML302模組是中移物聯推出的一款高性能LTE Cat.1模塊，支持時分長期演進(time division long term evolution,TD-LTE)和頻分長期演進(frequency division duplex long term evolution,FDD-LTE)通信制式。相比傳統的LTE Cat.4模組，ML302具有高性價比、深度優化功耗的優勢。Cat.1無線通信模塊結構如圖3所示。

圖3 Cat.1無線通信模塊結構圖

Cat.1無線通信模塊主要包括Cat.1模組、微控制單元(microcontroller unit，MCU)、晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic，TTL)接口、電源、射頻天線、全球用戶識別卡(universal subscriber identity module，USIM)卡座、數據存儲器等。Cat.1無線通信模塊工作電壓為3.8 V，與主控制器TTL接口連接，通過串口通信實現數據的接收和發送。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

本系統的軟件設計可以分為建立Socket連接、數據采集、數據定時上報、Socket連接維持。主程序流程如圖4所示。首先，系統檢查實時數據幀是否上報成功。若出現上報失敗，則系統啟動補傳，保證上報成功率。然后，系統設計檢測Socket連接情況。若發現連接斷開，則系統重新撥號啟動重連接，保證設備實時在線。

圖4 主程序流程圖

實時數據幀格式如表1所示。實時數據幀由幀頭、協議版本、設備編號、命令碼、長度、數據域、循環冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)和幀尾組成，每分鐘打包實時數據幀，通過Cat.1模塊無線遠程傳輸至抄表平臺。

表1 上報數據幀格式

3.2 數據加解密功能設計

數據加密算法一般分為對稱加密算法和非對稱加密算法。對稱加密算法的加密和解密用相同密鑰，加解密速度快[8]。AES是美國國家標準與技術研究所用于加密電子數據的規范。本系統采用AES-128對稱加密算法對數據域軟件加密，實現燃氣流量計到主站的端到端安全控制，保證數據傳輸的完整性、安全性和真實性[9-11]。

燃氣流量計在智能抄表平臺開戶后，系統隨機生成一組16 B的密鑰。當燃氣流量計首次通過Cat.1網絡連接至主站，會主動上報一幀帶有設備編號信息的注冊包。系統在接收到注冊包后，下發生成的密鑰至燃氣流量計。燃氣流量計在接收到密鑰命令后須應答系統，確認密鑰設置成功。

系統發送端、接收端的數據加、解密流程如圖5所示。加密運算時，數據域內的數據分成以16 B為單位的數據塊，最后的數據塊可能為1～16 B。當最后的數據塊長度為16 B，正常對每16 B數據進行加密；當最后的數據塊長度不足16 B，則在其后每個字節加上不足16 B部分的長度差額數值，直到長度達到16 B。對數據域內的每個16 B數據塊按照密鑰K分別進行加密。所有加密后的數據塊按照原有順序連接在一起。加密后，密文C的字節數亦為16 B的整數倍。當接收端收到采用AES-128加密方式下的數據包時，根據密鑰K進行解密，并執行解密后的命令。

圖5 系統加、解密流程圖

4 試驗結果

4.1 一次抄讀成功率

一次抄讀成功率是指在系統發出每條采集遠傳數據表的命令后，在規定的時間內，系統抄讀成功率的次數之和與遠傳表應抄讀總次數的百分比[12]。本試驗配置8臺燃氣流量計，設備編號從20210001至20210008，安裝在實驗室進行一次抄讀成功率試驗。采用小型風扇運行模擬產生氣量，啟動燃氣流量計運轉計量。啟動系統抄表，每隔5 min對燃氣流量計進行采集操作，記錄智能抄表平臺收到的采集數據，并同步在燃氣流量計中保存表具時間和測量數據，連續運行7天。試驗結束后，統計智能抄表平臺上每臺燃氣流量計的上報次數。一次抄讀成功率統計結果如表2所示。由表2可知，8臺燃氣流量計的一次抄讀成功率均大于99.5%，滿足一次抄讀成功率應不低于99%的技術指標要求。

表2 一次抄讀成功率統計結果

4.2 數據抄讀總差錯率

數據抄讀總差錯率試驗與一次抄讀成功率試驗同時進行。在試驗結束后，智能抄表系統導出每次采集的標況累積流量值和燃氣流量計所有保存測量的標況累積流量值。抄表系統的標況累積流量值VQ1與燃氣流量計的標況累積流量值VQ0的差值應滿足式(1):

|(VQ11-VQ01)-(VQ10-VQ00)|≤0.05%(VQ01-

VQ00)+1×10-αQ+γQ×10-βQ

(1)

式中：VQ11為t1時刻的系統標況累積流量值；VQ01為t1時刻的燃氣流量計標況累積流量值；VQ10為t0時刻的系統標況累積流量值；VQ00為t0時刻的燃氣流量計標況累積流量值；αQ為實際抄讀燃氣流量計的小數位數；βQ為系統的小數位數；γQ為系統誤差，燃氣流量計為直讀表時的γQ為0。

標況累積流量值顯示的小數位4位，γQ為0。對比2組數據，剔除系統未成功抄讀的數據個數，統計每臺燃氣流量計不滿足式(1)要求的數據個數，根據系統內應抄讀的數據不滿足式(1)準確度要求的數據個數與應抄讀的數據的總個數的百分比。數據抄讀總差錯率統計結果如表3所示。

表3 數據抄讀總差錯率統計結果

8臺燃氣流量計的數據抄讀總差錯率均不大于0.05%，符合數據抄讀總差錯率不應大于0.1%的技術指標要求。由表3可知，有個別燃氣流量計存在不滿足式(1)要求的數據。其主要原因是在試驗初期，燃氣流量計的標況累計流量值比較小，而系統的小數位數少。這是由于精度不夠而引起的誤差。

5 結論

隨著信息技術的發展，燃氣公司利用信息技術實現生產和經營的自動化，以提高其經營管理效率。本文設計的基于Cat.1技術的燃氣智能抄表系統將采集、轉換、傳送集成在一起，實時處理和分析用氣量信息，以及發現異常。該系統通過Cat.1網絡統一抄取，不需要工人抄表，節省了時間和成本，而且確保原始數據的唯一性，防止人工抄表過程中出現的數據漏寫、少寫情況。該系統使用AES-128軟件加密算法對數據域加密，以實現對密鑰的安全、可靠管理，保證遠程數據傳輸安全。該系統對于工商業燃氣現場數據的采集和工業環境安全的監控，以及燃氣公司保障用戶的使用安全、提高其管理水平和安全監督水平具有重要意義。