基于NB-IoT的燃?xì)夤艿罋饷苄詸z測儀設(shè)計(jì)

吳鐵軍

（遼寧思凱科技股份有限公司，遼寧 丹東 118008）

0 引言

目 前 在 儀 表 行 業(yè) 中，4G、NB-IoT、GPRS、LoRa、WiFi和藍(lán)牙等通信技術(shù)都得到了廣泛應(yīng)用，其中NB-IoT以獨(dú)特的低功耗優(yōu)勢獲得企業(yè)的廣泛喜愛。它是基于蜂窩技術(shù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)[2,3]，深度覆蓋，在GSM基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)增益20dB，區(qū)域覆蓋的能力提升了100倍，一個基站就可以覆蓋一個小縣城[4]；海量連接，一個扇區(qū)能夠建立10萬個連接；低功耗，使用AA電池（5號電池）便可以待機(jī)工作10年，無需充電；低成本，模組芯片成本只需十幾元；使用運(yùn)營商授權(quán)頻道進(jìn)行組網(wǎng)，抗干擾能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，對于氣密性檢測儀因安裝位置較差而無法通信問題起到關(guān)鍵的作用。本文設(shè)計(jì)一種基于NB-IoT的燃?xì)夤艿罋饷苄詸z測儀，一方面主動采集、上報(bào)各管道監(jiān)測點(diǎn)的溫度、壓力數(shù)據(jù)，另一方面接收來自監(jiān)控管理平臺的設(shè)置、控制等命令，實(shí)現(xiàn)對燃?xì)夤艿罍囟取毫Φ牡凸倪h(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)由氣密性檢測儀、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、IoT云平臺和監(jiān)控管理平臺組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall system architecture

在對燃?xì)夤艿赖陌惭b進(jìn)行氣密性實(shí)驗(yàn)時，用304不銹鋼封裝后的管道溫壓傳感器通過螺紋連接固定在燃?xì)夤艿郎希瑢⒋驂汗芏蝺啥朔馑溃蚱渲凶⑷肟諝猓龎毫_(dá)到設(shè)計(jì)壓力1.5倍時停止，保壓一個小時[5,6]。管道溫壓傳感器檢測管道中的溫度和壓力，再將檢測到的數(shù)據(jù)通過I2C通信接口傳輸?shù)綒饷苄詸z測儀內(nèi)部單片機(jī)，單片機(jī)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲、分析、整理后，按照統(tǒng)一的應(yīng)用層通信協(xié)議打包后，通過UART串口與NB-IoT模組通信，在附著基于運(yùn)營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)，采用LwM2M協(xié)議方式將采集的實(shí)時數(shù)據(jù)上報(bào)至IoT云平臺。IoT云平臺將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控管理平臺，每小時上傳一次，上傳24h后，若上傳的數(shù)據(jù)符合要求,則該管道方可投入正常使用。

2 技術(shù)指標(biāo)與功能設(shè)計(jì)

技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators

氣密性檢測儀功能如下：

“你已被她妖艷的容貌所迷惑！”族長和師父的話語同時在他的腦海中響起，他愣愣地，覺得心底惡魔的種子再一次舒展了筋骨。

1）按鍵功能：當(dāng)按鍵時間≤3s時，液晶翻頁顯示數(shù)據(jù)，打開近端參數(shù)設(shè)置串口，20s無任何操作熄滅顯示液晶，關(guān)閉串口；當(dāng)3s＜按鍵時間≤6s時，開機(jī)、手動NB上傳數(shù)據(jù)；當(dāng)6s＜按鍵時間≤9s時，啟動北斗和GPS定位獲取位置信息；當(dāng)9s＜按鍵時間≤12s時，啟動表壓、絕壓切換功能；當(dāng)12s＜按鍵時間≤15s時，關(guān)機(jī)。

2）液晶顯示功能：用戶可通過按鍵、液晶顯示隨時查看管道溫度、管道壓力、當(dāng)前日期、時間、電量狀態(tài)、信號強(qiáng)度、定位信息以及其他一些功能標(biāo)志等。

3）LED指示功能：綠燈表示NB運(yùn)行狀態(tài)，紅燈表示北斗運(yùn)行狀態(tài)。

4）充電功能：設(shè)備電量低時可使用TYPE C線進(jìn)行充電，充電時間約2h。

5）定時上報(bào)功能：定時上傳，可在線配置為以分鐘為最小單位，按分鐘上傳、按小時上傳、按天上傳等模式。數(shù)據(jù)上傳過程中，數(shù)據(jù)需采用動態(tài)加密方式，保證通信數(shù)據(jù)安全。上傳策略：5min存儲1次數(shù)據(jù)，1小時1次進(jìn)行上傳。

6）實(shí)時報(bào)警功能：檢測儀每20s輪詢采集一次管道壓力和溫度，當(dāng)發(fā)生符合預(yù)設(shè)條件的報(bào)警事件（如：電池電壓低于欠壓值或溫度壓力超限）時，并多次探測到數(shù)據(jù)超越報(bào)警線，將報(bào)警信息上傳。

7）存儲功能：表具可本地記錄最近2500條實(shí)時溫度和壓力數(shù)據(jù)、500條報(bào)警數(shù)據(jù)。

8）時鐘功能：表內(nèi)具有時鐘功能，具有識別閏年閏月功能，通訊時必須校準(zhǔn)表內(nèi)時鐘，具備遠(yuǎn)程自動校時功能。

9）參數(shù)設(shè)置功能：可通過監(jiān)控管理平臺遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)，可通過手持單元設(shè)置參數(shù)。

10）電源電壓檢測功能：應(yīng)具讀出電源電壓值功能，誤差小于0.1V；當(dāng)電壓小于閾值時，上傳低電量報(bào)警，還能支持表具工作。

11）升級功能：應(yīng)能支持手持單元升級、遠(yuǎn)程升級、FOTA固件升級。

12）數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)功能：當(dāng)檢測儀正常完成本次周期上報(bào)之后，應(yīng)當(dāng)自動檢測所有已存儲的周期數(shù)據(jù)，并將存儲區(qū)域內(nèi)所有未完成上報(bào)的數(shù)據(jù)，以下一次主動上報(bào)后進(jìn)行補(bǔ)充發(fā)送。

13）北斗和GPS定位功能：可通過按鍵和遠(yuǎn)程開啟精確定位，將位置信息在液晶中顯示，并上傳到監(jiān)控管理平臺。

14）數(shù)據(jù)重發(fā)功能：正常上傳數(shù)據(jù)結(jié)束后，如果20s內(nèi)沒有接收到平臺指令回饋或接到錯誤回饋，數(shù)據(jù)重發(fā)；如果未接收到或錯誤超過3次，不再數(shù)據(jù)重發(fā)，進(jìn)入休眠。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

氣密性檢測儀由電源、微處理器、穩(wěn)壓降壓電路、復(fù)位電路、按鍵、液晶、外置管道溫壓傳感器、EEPROM、NB-IoT模組、北斗和GPS定位模組、充電和USB通信電路、AD采樣、LED指示燈構(gòu)成[7]。硬件總體設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 硬件總體設(shè)計(jì)Fig.2 Overall hardware design

電源：氣密性檢測儀一般安裝在燃?xì)夤艿辣O(jiān)測記錄溫度、壓力數(shù)據(jù)24h后，需要拆除氣密性檢測儀，屬于臨時應(yīng)用儀表工具，所以設(shè)計(jì)使用鋰離子聚合物電池為整機(jī)電源，可充電，內(nèi)置過充過放電智能保護(hù)板，標(biāo)稱電壓3.7V，充電電壓4.2V～5V。滿電電壓4.2 V±0.05V，額定容量2000mAh。將3.7V電池電壓經(jīng)BUCK電路降壓轉(zhuǎn)換為3.0V，為微處理、EEPROM、溫壓傳感器等提供電源。

微處理器：設(shè)計(jì)使用國產(chǎn)FM33LG048微處理器，該處理器是一款基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核32位微控制器，可在電壓為1.65V～5.5V，-40℃～+85℃環(huán)境下工作，最高主頻64Mhz，8個串口，6個定時器，內(nèi)置2個RTC，低功耗VBAT模式電流最小0.8μA，充足的256KB Flash空間，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級。

外置管道溫壓傳感器：設(shè)計(jì)使用MS5803-14BA微型溫度壓力傳感器，屬于絕壓傳感器，壓力量程范圍0kPa～1400kPa，分辨率0.02kPa，精度±2kPa，溫度量程范圍-40℃～+85℃，分辨率0.01℃，精度±0.8℃，供電電源1.8V～3.6V，帶有SPI和I2C兩種接口，內(nèi)部包含高線性度的壓力傳感元件和超級低功耗的24位ΔΣADC，內(nèi)置工廠校準(zhǔn)系數(shù)，提供高精度的24位壓力和溫度數(shù)字輸出，可以根據(jù)應(yīng)用需要配置轉(zhuǎn)換速度和功耗，可以與所有形式的微控器配合，通訊協(xié)議非常簡單，無需修改內(nèi)部寄存器。將該溫壓傳感器封裝到304不銹鋼壓力變送器殼體內(nèi)，通過殼體外部螺紋連接到燃?xì)鈮毫艿郎希?fù)責(zé)檢測燃?xì)夤艿赖膲毫蜏囟取?/p>

NB-IoT模組：設(shè)計(jì)使用移遠(yuǎn)NB-IoT模組BC28。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28多頻段工作，并且支持UDP、TCP、CoAP、MQTT、LwM2M等多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，供電電源范圍應(yīng)為2.1V～4.2V，需要鋰電池串聯(lián)一個肖特基二極管后給模組供電，防止鋰電池充滿電后4.25V超過其電壓范圍。

北斗和GPS定位模組：設(shè)計(jì)使用TAU1103雙模定位模組，支持接收BDS B1I、GPS L1CA、SBAS等衛(wèi)星信號。定位精度GNSS（2.5m CEP）、SBAS（2.0m CEP），帶有UART接口。

充電和USB通信：充電設(shè)計(jì)使用TC4056A，單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流、恒定電壓線性充電，提供固定的4.2V充電電壓。USB通信設(shè)計(jì)使用CH340H，外部5V供電，其引腳RXD、TXD需要用三極管電平轉(zhuǎn)換后與單片機(jī)的串口相連，從而實(shí)現(xiàn)USB和單片機(jī)串口通信。

AD、EEPROM、液晶：AD采樣控制三極管，將鋰電池和分壓電阻導(dǎo)通后采集電池電壓。EEPROM設(shè)計(jì)使用24AA512存儲器，該存儲器讀寫次數(shù)超過100萬次，200年以上的數(shù)據(jù)保存時間，存儲容量為512K位，可以存儲2500條實(shí)時溫度和壓力數(shù)據(jù)、500條報(bào)警數(shù)據(jù)。液晶設(shè)計(jì)使用1.3寸OLED顯示屏，分辨率為128×64，支持SPI通信接口。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序流程如圖3。

圖3 軟件程序流程圖Fig.3 Software program flow chart

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，每20s進(jìn)行采集一次管道溫度和絕對壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部單片機(jī)計(jì)算后轉(zhuǎn)換成表壓力，將管道表壓力和溫度與管道溫度、壓力報(bào)警閾值（以中壓為例：欠壓下限2.5kPa，欠壓上限150kPa，超壓下限375kPa，超壓上限600kPa，溫度下限-20℃，溫度上限60℃）做比較，數(shù)據(jù)正常程序向下進(jìn)行處理，如果數(shù)據(jù)不正常，觸發(fā)同一種報(bào)警（例如欠壓上限報(bào)警）次數(shù)判斷，小于3次程序向下進(jìn)行處理，超過3次進(jìn)行報(bào)警數(shù)據(jù)存儲、報(bào)警上報(bào)，此時監(jiān)測管理平臺接收到氣密性檢測儀的實(shí)時報(bào)警數(shù)據(jù)。當(dāng)存儲時間到時，對采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝后存儲到24AA512存儲器。當(dāng)上傳時間到時，使能NB-IoT模組，讀取24AA512存儲器中的實(shí)時數(shù)據(jù)，主動上報(bào)至監(jiān)控管理平臺。上報(bào)完成后，等待接收監(jiān)控管理平臺的下發(fā)命令，如修改存儲間隔、上傳間隔、溫度壓力上下限配置參數(shù)等命令，系統(tǒng)對接收到的命令進(jìn)行響應(yīng)并應(yīng)答。當(dāng)接收到結(jié)束數(shù)據(jù)包，氣密性檢測儀退出上報(bào)流程進(jìn)入低功耗模式。

5 系統(tǒng)測試

5.1 功耗測試

氣密性檢測儀實(shí)際使用過程中通常設(shè)置1小時1次上傳頻率，所以需要以小時為單位計(jì)算功耗情況如下：

1）靜態(tài)功耗。氣密性檢測儀的絕大部分時間都處于休眠狀態(tài)，實(shí)測得其靜態(tài)電流為35μA，靜態(tài)功耗為3600s×0.035mA =126mAs。

2）通信功耗。每小時連網(wǎng)通信一次，而NB連網(wǎng)受地理位置和電池電量的影響，基站擁堵或信號弱最長可以5min，最短只需要20s，通常取每次通信在60s完成，使用一臺KEYSIGHT 34465A的6.5位臺式萬用表測試通信過程，測得其平均工作電流為50mA，通信功耗為60s×50mA=3000mAs。

3）采集功耗。每20s輪詢采集一次管道壓力和溫度需要用時80ms，為了防止異常數(shù)據(jù)觸發(fā)報(bào)警會多采集兩次數(shù)據(jù)，整體用時按照平均200ms計(jì)算。兩種溫壓傳感器都是低功耗產(chǎn)品，只有在內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換過程中消耗電流1.8mA，絕大部分耗能是單片機(jī)喚醒后的電流2.5mA，按照平均3mA計(jì)算，采集功耗為3600s/20s×0.2s×3mA =108mAs。

4）整體功耗。小時整體功耗為126+3000+108=3234（mAs），電池額定容量為2000mAh，使用過程中容量存在衰減，實(shí)際使用容量可按照額定容量的50%計(jì)算，可用天數(shù)為1000mA×3600s/3234mAs/24h=46.38天。

5.2 功能測試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，準(zhǔn)備4臺氣密性檢測儀，一臺ConST283智能數(shù)字壓力檢驗(yàn)儀，可測量表壓力，量程 范 圍0kPa～1600kPa，準(zhǔn) 確 度 等 級0.05級。一 臺JM222手持?jǐn)?shù)字溫度計(jì)，測溫范圍-30℃～199.9℃，測量誤差±0.4%FS±0.1℃。一臺高低溫試驗(yàn)箱，溫度范圍-20℃～150℃，降溫速度0.7℃/min～1℃/min。

1）表壓、絕壓切換功能。在相同大氣環(huán)境中，分別通過液晶讀取4臺氣密性檢測儀的管道壓力數(shù)據(jù)，此時液晶顯示壓力為100kPa左右（大氣壓數(shù)據(jù)），長按鍵觸發(fā)切換功能，此時內(nèi)部單片機(jī)快速采集大氣壓數(shù)據(jù)30次后取平均值，將管道壓力減去平均值得到的壓力顯示到液晶中為0kPa左右，說明已經(jīng)切換到表壓力工作模式。大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中都是以表壓力進(jìn)行計(jì)算，所以氣密性檢測儀在安裝到管道前，都需要切換表壓力模式，使液晶壓力顯示歸零，防止不同地域大氣壓環(huán)境影響精度。

2）精度測試。壓力測試，在室溫25℃環(huán)境中，將4臺氣密性檢測儀的管道溫壓傳感器通過壓力軟管和數(shù)字壓力校驗(yàn)儀相連接，通過校驗(yàn)儀給壓力軟管內(nèi)打壓，分別測量0kPa～1000kPa范圍內(nèi)壓力，測試結(jié)果見表2。將測壓數(shù)據(jù)與校驗(yàn)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，誤差均在4kPa以內(nèi)。溫度測試，在大氣壓環(huán)境中，將溫度計(jì)的測溫探頭和氣密性檢測儀的溫壓傳感器不銹鋼外殼接觸可靠，同時放置到高低溫箱內(nèi)，降溫到-20℃恒定10min后，觀察檢測儀如果有NB上傳，此時記錄溫度計(jì)的溫度數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控管理平臺讀取傳感器檢測溫度數(shù)據(jù)，依次升溫完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。將測溫?cái)?shù)據(jù)與溫度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，誤差均在±0.8℃以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

表2 室溫25℃測量壓力數(shù)據(jù)Table 2 Pressure data measured at room temperature of 25℃

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿罋饷苄詸z測儀在工程實(shí)際中明顯優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方式。在燃?xì)夤艿赖臍饷苄栽囼?yàn)中，應(yīng)用氣密性檢測儀和監(jiān)控管理平臺可避免傳統(tǒng)人工檢測的缺點(diǎn)，提高了檢測的實(shí)時性、準(zhǔn)確性，保證了燃?xì)夤艿朗┕せ蚓S修質(zhì)量，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義和商業(yè)價(jià)值。

表3 大氣壓中測量溫度數(shù)據(jù)Table 3 Temperature data measured at atmospheric pressure