基于NB-IoT技術的遠程抄表采集系統設計

唐明軍,陳仁文，沈 全，郎干勇，楊 龑

(1.南京航空航天大學 航空學院，江蘇 南京 210016；2.揚州工業職業技術學院 信息工程學院，江蘇 揚州 225127；3.揚州萬泰電子科技有限公司，江蘇 揚州 225003；4.揚州綠創智能科技有限公司，江蘇 揚州 225003)

0 引言

隨著我國第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要的頒布，著重提出加快數字化發展，建設數字中國的發展目標，物聯網技術條件下智慧城市建設的積極推進，智慧家居、智慧社區等智慧平臺的構建也開始逐步提上日程,這些平臺能有效降低管理單位重復勞務支出、降低管理成本、提高經營效率。使用戶足不出戶實現多種能源一鍵繳費、查詢，并可遠程控制能源閥門，監控用能安全的“多表合一”智慧管理系統平臺也成為了數字社區智慧城市建設的基礎之一[1-3]。現有的GPRS遠程抄表系統解決了人工抄表在效率以及安全性上的問題[4-5]，但同時存在著功耗高、信號差和通信基站用戶容量小等問題[6]。本文設計了一種基于NB-IoT的遠程抄表采集裝置及其抗干擾系統，包含智能表、與智能表連接的采集裝置、NB-IoT基站、IoT核心網和業務平臺終端；采用NB-IoT這一物聯網創新技術，集中讀取監控電水氣能源計量儀表的使用數據及運行狀態，并實現大數據分析、智能終端管理，更好地為智慧城市建設提供服務。

1 系統總體設計

針對傳統無線通信方式功耗較高、傳輸距離較近的問題，提出了一種基于NB-IoT無線通信模塊的低功耗的遠程抄表智能監控系統方案，該方案有望解決當前物聯網標準不統一、終端成本高、接入能力不足的問題。為解決上述技術問題采用以下技術方案，系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構Fig.1 Overall system architecture

整個系統由電腦或手機、云服務器、NB-IoT基站、IoT核心網、采集裝置以及智能表組成。第1層為智能表計層，采集裝置對采集智能表參數進行采集處理儲存，通過NB-IoT模塊將數據發送到NB-IoT基站；第2層為通信網絡層，數據從采集層發送到基站，再由基站轉發到IoT核心網平臺；第3層為數據管理層，負責匯總入網的底層數據，并將數據儲存在IoT云平臺中，可隨時調用導出數據進行查詢或分析。

2 系統軟硬件設計

2.1 采集裝置硬件電路組成

采集裝置由微控制器模塊、接口模塊、NB-IoT通信模塊、時鐘模塊、存儲器模塊和供電模塊組成。供電模塊分別為微控制器模塊、時鐘模塊、存儲器模塊、顯示模塊、按鍵模塊、接口模塊和NB-IoT通信模塊提供所需電源。具體結構如圖2所示。采集裝置硬件從數據通信效率、系統穩定性和降低功耗等方面入手進行電路設計，解決了GPRS采集設備功耗過高、信號不穩定和用戶接入量較少等問題[7]。

圖2 采集裝置結構Fig.2 Structure diagram of acquisition device

2.2 光耦隔離模塊電路設計

采集設備包含光耦隔離模塊與接口模塊：接口模塊通過光耦隔離模塊連接微控制器模塊，光耦隔離模塊用于隔離由于環境惡劣帶來的影響。具體設計如圖3所示。

圖3 采集裝置光耦隔離模塊電路Fig.3 Circuit diagram of optocoupler isolation module of acquisition device

2.3 AD/DC轉換模塊設計

AD/DC轉換裝置包含反激式變壓器、整流濾波模塊、啟動電路、啟動控制和低壓鎖定模塊、峰值電流檢測、采樣保持模塊、誤差放大器、CV控制模塊、退磁時間檢測模塊、CC控制模塊、PFM邏輯控制模塊、驅動模塊和功率開關管M1[8]，電路如圖4所示。

AD/DC轉換模塊進行數據轉換處理，其省去了外部啟動電路，大大降低啟動部分的功耗；采用合封三極管實現啟動，待機功耗低、速度快，無需高壓工藝，易于實現、節約成本；當輸出短路時，系統自動進入固定頻率模式，提高穩定性[8]。

圖4 采集裝置AD/DC轉換模塊電路Fig.4 Circuit diagram of AD/DC conversion module of acquisition device

2.4 智能表軟件設計

智能表的軟件設計包含主程序與串口服務程序。串口服務程序的功能是接收采集裝置的控制命令并進行解析，將其轉發給智能表[9-10]。主程序的流程如圖5所示。系統通電后進行初始化，進入低功耗工作模式，當到達定時器設置的數據發送時間，接收數據后查詢數據完整性，如數據無誤則將數據傳輸到采集裝置。

圖5 主程序流程Fig.5 Flow chart of main program

2.5 采集裝置軟件設計

采集裝置在無需監聽時開啟Power Saving Mode(PSM)，即低功耗模式。采集裝置在數據連接終止或周期性監聽完成后開啟PSM，在該模式下，采集裝置依然注冊在網絡中，但是近似處于關機狀態，不再監聽任何尋呼，與網絡無任何消息交互，因此功耗非常低[11]。用戶在監聽周期內進行一次尋呼信道，檢查是否有下行業務，若有需求則觸發主控制器，通過命令喚醒采集裝置向業務終端平臺發送數據[12-13]。采集裝置工作流程如圖6所示。

圖6 采集裝置工作流程Fig.6 Working flow of acquisition device

2.6 平臺終端軟件設計

智能表終端設計采用移動客戶端設計，使用標準MVC框架，視圖部分的移動客戶端界面設計包括登錄界面、用戶使用和控制界面等常用界面[14]。其中，控制界面包括開關機設置、運行模式設置、恢復設置、采集數據選擇設置和定時設置等。設計的客戶端功能界面如圖7所示。

圖7 客戶端功能界面Fig.7 Client function interface diagram

3 抗干擾設計

電磁兼容包括電磁騷擾和電磁抗擾度2個方面。對同一智能電能表，為了增強它對外部電磁騷擾的抗擾度，則必須降低它對外的電磁騷擾(EMI)。EMI包括傳導型電磁騷擾(低頻電磁騷擾)、輻射型電磁騷擾(高頻電磁騷擾)、靜電放電(ESD)、雷擊浪涌產生的電磁騷擾和快速瞬變脈沖群等。其中，輻射型電磁騷擾最難控制，因為輻射型電磁騷擾的頻率較高，能量的波長很短，很短的PCB布線或電能表電源變壓器線圈、電流互感器線圈和電壓互感器線圈等都可能成為收發天線[15]。因此，這也是本文的重點研究內容之一。

3.1 磁偶極子模型和電偶極子模型

由于天線是互易的，對于同一只單相智能電能表，降低它對外的EMI，就會增強它對外部EMI的抗擾度，因此研究輻射騷擾從分析電能表的輻射騷擾入手。

電能表對外輻射騷擾主要有差模輻射騷擾和共模輻射騷擾2種形式。差模輻射騷擾是由差模電流產生的，共模輻射騷擾是由共模電流產生的。

磁偶極子模型示意如圖8所示，電偶極子模型示意如圖9所示。

圖8 磁偶極子模型示意Fig.8 Schematic diagram of magnetic dipole model

圖9 電偶極子模型示意Fig.9 Schematic diagram of electric dipole model

差模電流是指往返于信號線與回流線之間、幅度相同、相位相反的電流，它在信號線與回流線之間形成的回路中流動，這個電流環路形成了差模輻射。當環路的周長遠小于信號波長和場距時，差模輻射可用磁偶極子模型來描述。騷擾電流在信號線與信號地線之間(或電源線的火線和零線之間)流動。

共模電流是指存在于信號線和回流線中相位相同的電流，共模輻射通常存在于信號線和回流線與大地之間[13]。對一段通有高頻電流的導線，當導線長度遠小于信號波長和場距時，可以認為導線上的電流均勻分布，共模輻射可用電偶極子模型來描述。

3.2 差模輻射場特性分析

根據麥克斯韋方程組，可推導出差模輻射場為：

(1)

Er=0，

(2)

Eθ=0，

(3)

(4)

(5)

Hφ=0,

(6)

式中，H為磁場強度，單位為A/m；E為電場強度，單位為V/m；r為天線至場點的距離，單位為m；I為天線電流，單位為A；ΔS為小環天線面積，單位為m2；η為自由空間波阻抗，數值為377 Ω；k=2π/λ為波數，單位為rad/m。

在近場區內，感應占主導地位且kr遠小于1，可認為e-jkr≈1，則表達式中只保留1/r的高次項，由此可見，磁偶極子差模輻射模型的電場強度與場距的平方成反比，與信號頻率成正比，而磁場強度與場距的三次方成反比，與信號頻率無關。

3.3 共模輻射場特性分析

根據麥克斯韋方程組，可推導出共模輻射場為：

(7)

(8)

Eφ=0，

(9)

(10)

Hr=0，

(11)

Hθ=0，

(12)

式中，H為磁場強度，單位為A/m；E為電場強度，單位為V/m；r為天線至場點的距離，單位為m；I為天線電流，單位為A；Δl為天線長度，單位為m；η為自由空間波阻抗，數值為377 Ω；k=2π/λ為波數，單位為rad/m。

與3.2小節結論類似：在近場區內，磁偶極子共模輻射模型的電場強度與場距的三次方成反比，與信號頻率成反比，而磁場強度與場距的平方成反比，與信號頻率無關。

4 結果分析

4.1 NB-IoT電能表輻射特性曲線分析結果

本文以采用NB-IoT技術的某型單相遠程費控智能電能表進行的電磁輻射強度測試曲線為例進行說明分析。根據GB 9254-2008的規定，在測量距離為10 m處，在30～230 MHz射頻范圍內，電能表電磁輻射強度不能超過40 dBμV/m；在230～1 000 MHz射頻范圍內，電能表電磁輻射強度不能超過47 dBμV/m。其中，在230 MHz過渡頻率處應采用較低的限值，即40 dBμV/m。圖10(a)為電能表在851.4 MHz頻率點電磁輻射強度超標曲線，圖10(b)為電能表在30～1 000 MHz射頻范圍內電磁輻射強度均不超標曲線。

由圖10可以看出，當f<300 MHz時，輻射騷擾基底輻射強度呈現不太規則拋物線形狀，不少部分頻點輻射強度相對于基底較大；當f≥300 MHz時，輻射騷擾幾乎成一斜線，相對而言只有極少數頻點輻射騷擾強度相對于基底較大。

(a) 不合格曲線

(b) 合格曲線圖10 電能表實測輻射干擾強度曲線Fig.10 Measured radiation interference intensity curve of electric energy meter

由以上分析可知，可以采用磁偶極子模型和電偶極子模型進行差模騷擾強度和共模騷擾強度對NB-IoT智能電能表的抗輻射騷擾性能進行分析，這為NB-IoT智能電能表的抗輻射騷擾設計提供了理論依據，也為NB-IoT抄表系統的抗干擾設計提供了支撐，提高了整個NB-IoT抄表系統的可靠性。

4.2 NB-IoT電能表模組功耗分析結果

NB-IoT模組與GPRS模組功耗對比如表1所示，當NB-IoT模組處于低功耗模式下，其功耗明顯低于GPRS模組。

表1 通信模組功耗對比

通過測試，實現了對智能表數據進行檢測以及對采集裝置運行模式和采集時間等進行功能設置，采集裝置上行數據以及應用平臺下行命令傳輸的測試，滿足制定的控制采集需求。NB-IoT技術所采用的超窄帶、重復傳輸以及精簡協議等設計，相較LoRa，LTE Emtc等技術犧牲了一定的速率、時延以及移動性，卻獲得了功耗、覆蓋性能上的優勢，并有著很高的穩定性，在信號較差的環境下依然能夠穩定運行，非常適合作為智能采集終端的通信技術[16-18]。

4.3 實際測試結果

本文對50個用戶的用電情況進行實際測試，分別記錄了這些用戶2020年1—12月未使用智能抄表系統前的用電情況，以及2021年1—12月使用了NB-IoT遠程抄表采集系統之后的用電情況。

所采集到的部分原始數據如表2所示。

表2 用電原始數據

通過計算每個月中50戶的用電均值，繪制了如圖11所示使用NB-IoT遠程抄表采集系統前后的用電均值比較圖。從圖11中可以看出，使用NB-IoT的遠程抄表系統的月用電均值均高于未使用NB-IoT的遠程抄表系統的用電均值，產生用電量增加的原因在于現有的抄表系統的功耗更低而精確度更高，能夠準確及時地記錄用戶的用電情況。

圖11 使用NB-IoT遠程抄表采集系統前后的用電均值比較Fig.11 Comparison of average power consumption before and after using NB-IoT remote meter reading acquisition system

5 結束語

本文基于NB-IoT技術并依托云平臺設計了一套遠程抄表采集裝置及其抗干擾系統方案，為智能電能表的輻射騷擾設計提供了理論依據,實現了手機移動端或PC客戶端對智能表數據的采集維護，為大規模的“多表合一”系統提供基礎。“多表合一”系統通過NB-IoT技術，集中讀取監控電水氣能源計量儀表的使用數據及運行狀態，以獨立于供需雙方的第三方服務方式，實現對水電氣用量信息采集、傳輸、存儲、分析、設備管理、數據下發、費用結算和增值服務等功能。“多表合一”系統結合大數據分析技術、云計算技術，可以更好地為智慧城市建設提供服務。