基于NB-IoT的用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計與研究

肖祖才

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

電力行業(yè)是我國經(jīng)濟的重要組成部分。電力行業(yè)的發(fā)展依賴于高效的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主要創(chuàng)新應(yīng)用[1]，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將電網(wǎng)中的各種設(shè)備連接起來，從而形成智能電網(wǎng)。傳統(tǒng)的電力信息采集主要依靠人工來完成，存在工作效率低的缺點，并且會導(dǎo)致勞動力的浪費[2]。為了智能化地采集用電信息，有必要建立基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of Things，NB-IoT)的智能電表網(wǎng)絡(luò)。

對于這項工作，國外的電力行業(yè)比較早地開展了研究。歐盟依據(jù)《可持續(xù)的、競爭的、安全的歐洲能源策略》，要求所有成員國在2020年底的智能電表應(yīng)用率達80%[3]。同時，意大利電力公司在2002年安裝了大約3 000萬臺的終端電表，并搭建了電力的智能化網(wǎng)絡(luò)[4]。而在美國，科羅拉多州已在2008年率先完成了智能電網(wǎng)的部署[5]。智能電網(wǎng)可以獲取全部家庭的用電信息，用戶可自主使用電力資源。國內(nèi)的智能電表從20世紀(jì)90年代開始發(fā)展。目前，基于無線公網(wǎng)技術(shù)的終端電表充斥電力市場。但是由于成本過高，電力公司開始著力于發(fā)展自己的電力網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)智能化的用電信息采集。中國移動、中國電信、中國聯(lián)通三大電信運營商積極布局NB-IoT行業(yè)，發(fā)布了各自的NB-IoT商用計劃[6]。國家電網(wǎng)公司也已經(jīng)發(fā)布《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)》,用于規(guī)范整個市場環(huán)境[7]。

本文基于NB-IoT技術(shù)，對用電信息采集的終端電表進行研究：首先，分析了用電信息采集系統(tǒng)的架構(gòu)；然后，對系統(tǒng)的硬件電路和嵌入式軟件進行設(shè)計；最后，構(gòu)建了各模塊之間的邏輯處理結(jié)構(gòu)。通過對整個用電信息采集系統(tǒng)進行功能測試，本文驗證了終端電表的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1 NB-IoT技術(shù)概述

1.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

NB-IoT基于第四代長期演進(the 4th generation long term evolution，4G LTE)技術(shù)的通信架構(gòu)，以及低功耗和大連接的應(yīng)用場景[8]，實現(xiàn)流程優(yōu)化。NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是通過空口連接到通信基站并由S1接口與核心網(wǎng)相連。LTE網(wǎng)絡(luò)包含了S1接口、Uu接口等。電力業(yè)務(wù)的處理通常采用T6接口進行移動管理節(jié)點(mobility management entity，MME)和服務(wù)能力暴露功能(service capability exposure function，SCEF)模塊之間的通信傳輸。這種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為非互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet protocol，IP)數(shù)據(jù)。通過對NB-IoT系統(tǒng)進行優(yōu)化，可提高小分組數(shù)據(jù)的傳輸效率。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。圖1中，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括第三方應(yīng)用服務(wù)器(application server，AS)、應(yīng)用程序接口(application program interface，API)、蜂窩網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)(cellular serving gateway，C-SGW)和公共數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(packet data network gateway，PGW)。從鄰頻保護和覆蓋深度上考慮，本文采用1∶1的組網(wǎng)方式。該組網(wǎng)方式可達到99%的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。同時，為了應(yīng)對同頻干擾，NB-IoT增加了異頻組網(wǎng)功能。

1.2 NB-IoT鏈路設(shè)計

NB-IoT的鏈路設(shè)計分為上行鏈路設(shè)計與下行鏈路設(shè)計[9]。下行鏈路設(shè)計采用正交相移鍵控進行調(diào)制，以正交頻分多址的方式實現(xiàn)通信傳輸功能，傳輸速率在160～250 kbit/s之間[10]。本文研究的NB-IoT系統(tǒng)取消了下行通道鏈路。上行鏈路設(shè)計采用的是二進制相移鍵控調(diào)制方式，并利用單載波頻分多址技術(shù)進行傳輸；同時，為了提高覆蓋增強的效益，設(shè)置3.75 kHz的子載波間隔，傳輸速率在160～200 kbit/s之間[11]。為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度、減少終端的成本，其上行鏈路和下行鏈路都只保留了很少的物理信道與信號，并對物理信道引入了重傳機制。NB-IoT的空口高層特性是利用簡化后的長期演進(long term evolution,LTE)控制機制降低系統(tǒng)的復(fù)雜度[12]。

2 用電信息采集系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文基于NB-IoT的用電信息采集系統(tǒng)架構(gòu)，由終端電表、NB-IoT云平臺、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)以及Web應(yīng)用軟件組成。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電力授權(quán)的頻譜組網(wǎng)模式，為整個運行網(wǎng)絡(luò)提供通信保障。NB-IoT工作于頻分雙工長期演進(frequency-division duplex long term evolution，F(xiàn)DD LTE)、時分雙工長期演進(time-division duplex long term evolution，TDD LTE)、時分同步碼分多址(time division-synchronous code dvision multiple access，TDSCDMA)、寬帶碼分多址(wideband code division multiple access，WCDMA)、碼分多址(code division multiple access，CDMA)、全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communications，GSM)的工作頻段。終端電表主要用于采集用電信息，以及通信命令的接收與執(zhí)行。物聯(lián)網(wǎng)云平臺主要作為整體系統(tǒng)運行的中間橋梁。依托物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以將終端電表與Web應(yīng)用軟件連接起來。Web應(yīng)用軟件可實現(xiàn)數(shù)據(jù)用戶的管理與數(shù)據(jù)可視化功能。總體而言，在不影響現(xiàn)有電力數(shù)據(jù)任務(wù)采集的條件下，擴展采集任務(wù)支持滿足NB-IoT的用電信息采集系統(tǒng)新增的數(shù)據(jù)項目，如負荷感知數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 用電信息采集功能設(shè)計

本文設(shè)計的基于NB-IoT的用電信息采集系統(tǒng)的重點開發(fā)工作為終端電表部分。終端電表除了支持RS-485通信以及紅外通信之外，內(nèi)置的NB-IoT通信單元支持電能表通過NB-IoT與主站進行通信，完成數(shù)據(jù)的交互。其基本通信功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與存儲、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、終端維護等。用電信息采集功能依靠電能計量電路實現(xiàn)。電能計量電路由電流互感器、電壓互感器和專用電能計量芯片組成。負載電流經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)換成電流信號。該信號被傳送至計量芯片中。專用電能計量芯片對電流值進行記錄。當(dāng)電壓信號通過電壓互感器時，濾波電路和降壓電路會對其進行處理，并將其送入計量芯片中，以記錄電壓值。同時，電能計量芯片也會計算出有功功率等數(shù)值。用電信息采集與計量流程如圖3所示。

圖3 用電信息采集與計量流程圖

專用計量芯片實現(xiàn)了高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)采樣，采用磁隔離的通信方式實現(xiàn)計量芯片與主微控制單元(microcontroller unit，MCU)的高速數(shù)據(jù)交互。主MCU內(nèi)置的負荷辨識算法對實時采集到的原始數(shù)據(jù)進行用電負荷辨識。用電負荷實時采集原理如圖4所示。用電負荷實時采集功能借助電能表，通過負荷數(shù)據(jù)的采集、負荷特征的提取、數(shù)據(jù)交互、結(jié)果輸出四個步驟，對用戶各類用電負載情況進行實時監(jiān)測與分析。

圖4 用電負荷實時采集原理圖

3 采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 控制和通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

主控制模塊是終端電表中的設(shè)計重點，是整個電路的控制中樞，主要完成用電信息的采集與上報，以及電路命令的接收與執(zhí)行。主控制模塊由微控制器、溫濕度傳感器、降壓穩(wěn)壓器、復(fù)位以及時鐘模塊等組成。主控制模塊設(shè)計如圖5所示。

圖5 主控制模塊設(shè)計圖

本文設(shè)計的終端電表的微控制器采用美國德州儀器公司的MSP430F5438A微處理器模塊，并通過STH20溫濕度傳感器完成溫濕度參數(shù)的采集。STH20與微控制器MSP430F5438A的連接方式為主從模式，在溫濕度測量后才與微控制器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。MSP430F5438A微處理器的輸入電壓為1.8～3.6 V。主控制器模塊采用AMS1117-3.3芯片完成降壓穩(wěn)壓電路的設(shè)計。

NB-IoT無線通信模塊采用移遠公司的BC95-B5通信模組。通信模組的接收頻率保持在869～894 MHz，發(fā)送頻率的范圍是824～849 MHz。在該模組擴展嵌入式用戶身份識別模塊(embedded subscriber identification module，eSIM)卡接口等應(yīng)用接口。模組內(nèi)部有包含閃存和靜態(tài)隨機存取存儲器(static random-access memory，SRAM)的程序存儲器，以實現(xiàn)射頻電路和eSIM卡座電路。NB-IoT無線通信模塊的降壓穩(wěn)壓功能由TPS62150降壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。轉(zhuǎn)換器會自動并無縫地進入節(jié)省功耗模式。由于NB-IoT通信是帶寬為180 kHz、15 kHz的子載波，所以同一個基站最多允許13個電表同時收發(fā)數(shù)據(jù)。因此，NB-IoT設(shè)備不能安裝得太密集，否則會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵。另外，NB-IoT的時延比較高，大約為10 s。NB-IoT目前只有宏站，沒有室分基站，所以地下室或者室內(nèi)環(huán)境下可能無信號或者信號非常差。NB-IoT通信應(yīng)用構(gòu)件是主控芯片MSP430F5438A與通信模塊eSIM的溝通橋梁，可以實現(xiàn)終端遠程收發(fā)數(shù)據(jù)。在該構(gòu)件內(nèi)部，通過調(diào)用通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)基礎(chǔ)構(gòu)件實現(xiàn)主控芯片與通信模塊的串口通信，進而將一條條分散的指令封裝成帶有獨立功能的驅(qū)動函數(shù)。

本文在設(shè)計的單相終端電表印制電路板(printed circuit board，PCB)上增加了插針，用于固定通信模組，滿足跌落要求。天線座配合電表上殼更換合適的物料，并且在PCB上實現(xiàn)eSIM卡的嵌入式開發(fā)。

3.2 終端嵌入式軟件開發(fā)

軟件開發(fā)流程如圖6所示。

圖6 軟件開發(fā)流程圖

終端嵌入軟件采用美國德州儀器公司的代碼調(diào)試器(code composer studio，CCS)作為開發(fā)工具。CCS的調(diào)試工具十分適用于混合信號處理器(mixed signal processor，MSP)系列的微處理器。CCS的編譯環(huán)境也是針對MSP430系列的微處理進行編譯優(yōu)化。當(dāng)按照功能特點對軟件代碼進行編程后，為方便進行單步調(diào)試和斷點調(diào)試，本文選用聯(lián)合測試工作組(joint test action group，JTAG)下載方式。

3.3 功能測試

當(dāng)完成總體電路設(shè)計后，在搭建系統(tǒng)測試平臺時，本文使用1臺基于NB-IoT通信的終端電表與計算機進行功能測試。主要測試目的是對該終端電表的數(shù)據(jù)傳輸功能進行驗證。驗證使用了申請定向IP的服務(wù)器。該服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)后會將數(shù)據(jù)反饋給終端。服務(wù)器和終端間基于用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(user datagram protocol，UDP)通信。數(shù)據(jù)收發(fā)測試步驟包括：①創(chuàng)建UDP信道；②通過UDP信道發(fā)送數(shù)據(jù)并查詢模塊所處工作狀態(tài)；③通過UDP信道接收數(shù)據(jù)；④關(guān)閉UDP信道。通過對終端電表進行驗證，表明終端電表可以快速入網(wǎng)并發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，具有較好的數(shù)據(jù)傳輸實時性。

4 結(jié)論

本文通過對終端電表的位置查詢需求和信息采集需求的分析，研究了基于NB-IoT通信的用電信息采集系統(tǒng)。首先，本文闡述了當(dāng)前國內(nèi)外用電信息采集的現(xiàn)狀。然后，本文結(jié)合NB-IoT技術(shù)，對終端電表進行智能化組網(wǎng)，闡述了用電信息采集系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計。系統(tǒng)采用MSP430F5438A微控制器作為主控模塊的核心、BC95-B5通信模組作為無線通信模塊，對硬件電路進行設(shè)計與實現(xiàn)。在嵌入式軟件設(shè)計中，本文設(shè)計了各模塊之間的邏輯處理結(jié)構(gòu)和流程。最后，本文對整個用電信息采集方案的設(shè)計進行功能測試，驗證了終端電表的數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)接入功能。在后續(xù)的研究中，本研究可以設(shè)計加入安全加密模塊，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行加密傳輸，對接入進行認(rèn)證，從而保證傳輸?shù)募用苄浴?/p>