淺談窄帶物聯網的遠程無線抄表系統的設計及應用

摘要：給出了種基于窄帶物聯網的遠程無線抄表系統的設計方案，采用ＭＢＵＳ通信對底層儀表數據進行采集，數據采集終端使用窄帶物聯網通信技術將數據發送到上層遠程無線抄表管理系統，抄表管理系統實現了儀表數據集抄、讀取歷史數據功能，并可對數據采集終端進行設置和參數讀取，支持多種通信方式，在傳統儀表基礎上升級安裝方便，功耗低，壽命長，成本低。

關鍵詞：窄帶物聯網；無線抄表；數據采集終端；

0 引言

近年來，物聯網技術受到了關注和支持，我開展了不同的示范和試點項目，智慧農業、智能家居、醫療衛生以及工業控制等都取得很大進步。計量領域是居民日常生活的重要部分，現在抄表系統多采用無線技術對儀表數據、參數等進行采集、存儲和上傳等，對其進行綜合處理和應用。

物聯網通信技術從傳輸距離上分為短距離通信技術和廣域網通信技術兩類，者包括ZigBee,WiFi、藍牙等，應用于室內場景，數據準確率低、能耗大；后者又被稱為低功耗廣域網（Low-Power Wide-Aeea Network,LPWAN），目主流的兩大LPWAN技術有NB-IOT和LoRa。其他應用在抄表系統中的通信技術中，GPRS技術功耗高、覆蓋范圍不足，LoRa部署不方便、成本高、無法提供QOS信息、兼容性不強。

NB-IOT是種得到際認可的新興技術，并得到企業的關注和家的支持，其為物聯網中的海量設備提供連接，基于運營商設施建設，簡化應用網絡拓撲結構，并通過低功耗技術實現設備超長待機，具有強連接、低功耗、深覆蓋、低成本、高可靠性等特點，可滿足對低功耗／長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業務，更適合靜態業務場景，應用于抄表系統中大有裨益。

1 系統總體結構

1.1需求分析

本系統旨在設計種基于窄帶物聯網的遠程抄表系統，實現低功耗、長壽命、低成本的設計需求，本系統總體分為下位機、數據采集終端以及上位機三部分，下位機為水表、熱量表或者流量計等儀表，設計數據采集終端起到橋梁作用，采用ＮＢ通信技術采集下層儀表數據傳送給上位機部分。由于物聯網產品應用場景的特殊性，對產品進行充電或者維護的便捷性不大，在設計過程中需要考慮供電、安裝、成本這三個方面，因此數據采集終端的設計應該保證體積小巧和安裝便捷，并將改造傳統儀表的成本考慮到其中，同時采用電池供電，在工作模式上應多采用休眠模式，并添加靜默時間設置以保證系統的低功耗，并進步保證系統低成本。

上位機為遠程抄表管理系統，主要實現對儀表數據、采集終端參數讀取，并可對采集終端的命令、參數以及模式等進行配置，同時實現對歷史數據、儀表狀態參數以及儀表地址等進行讀取。

1.2總體設計方案

本文設計并開發了種以STM8L052C6T6為微控制器、基于窄帶物聯網的遠程無線抄表系統，完成計量領域對個低成本、科學和有效的抄表系統的訴求。該設計采用MBUS通信實現數據采集終端與儀表之間的數據傳輸，其中RS485通信只作為備選通信方式，默認使用MBUS通信方式。MBUS連接便利、可靠性高、成本低，且MBUS為兩線制，直接與儀表相連即可，若將傳統儀表進行升級，并不需要將原有裝置廢棄或者改造，可直接在原有傳統儀表基礎上將數據采集終端與儀表按照要求相連即可實現升級，節約成本，升級方便。圖1為系統架構圖。

每個數據采集終端配置可以作為識別的編碼，采用內置電池，容量為8500mAh，上行接口通過窄帶物聯網的UDP方式進行通信，調試接口為紅外通信方式，下行接口為MBUS或者RS485，滿足體積小巧的設計需求，設計采集終端外形尺寸為85mm*70mm*135mm，考慮到物聯網產品應用環境的復雜性，防水等級達到IP68，工作溫度范圍為-25～+60攝氏度。

經設計、測試和計算，數據采集終端待機功耗小于20μＡ，查閱電池數據手冊可知，200μＡ放電時電池容量為7700mAh，按電池利用率75％，天上傳3次數據，測試每次從開始采集數據到上傳結束耗時分鐘，使用MBUS方式時，使用壽命為5.7年，使用RS485方式時，使用壽命為10.8年。

2 硬件系統設計

2.1硬件系統結構

本系統的硬件設計部分主要集中在數據采集終端。硬件部分大致分為8個模塊：主控模塊、存儲模塊、復位模塊、紅外通信模塊、紅外配置模塊、RS485通信模塊、MBUS通信模塊和NB-IOT模塊。具體實際硬件電路包含：STM8L052C6T6單片機以及外圍電路、RS485通信電路、FM24CL64存儲電路、電源電路、ＮＢ通信模塊以及外圍電路、MBUS電路、A/D控制輸出電路以及紅外部分電路。單片機采用STM8L052C6T6，其為意法半導體（ＳＴ）公司生產的種集成電路芯片，選用FM24CL64芯片作為本系統的存儲芯片，NB模塊采用Lierda（利爾達）公司NB-05-01模塊，該模塊與移動網絡運營商通信基礎設施設備使用NB-IOT廣播協議，該廣播協議只針對靜態應用場景，且模塊上有個US1M接口的監控電路。系統硬件框架如圖２所示。

圖2系統硬件框架

2.2 NB模塊電路設計

NB-IOT模組類似于3G/4G通信模組，是將設備端數據打包發送給指D平臺硬件模組。NB模塊采用NB05-01模塊，屬于NBXX-01中的種。NB模塊原理圖如圖３所示。

圖3 NB模塊原理圖

2.3 MBUS電源電路設計

MBUS電源電路如圖4所示，采用SX1308升壓芯片，將3.6V升壓至24V。SX1308是碩芯科技推出的超小封裝、效率高、直流升壓穩壓電路，輸入電壓可由2V到24V，升壓可至28V可調，且內部集成低RDS內阻100mΩ金屬氧化物半導體場效應晶體管的（MOSFFET），可實現高達2A大電流。

2.4 NB電源電路設計

NB模塊供電電源采用SP6201－3.3進行穩壓調節，SP6201是Sipex（西伯斯）公司生產的款微功耗200mACMOSLDO穩壓調節器，在本課題中采用SP6201－3.3，固定輸出電壓為3.3V，該芯片的輸出電壓精度高達2％，具有好的負載和線性調節，并具有電流和發熱限制，EN引腳是邏輯控制的電子使能。電源電路和電源濾波電路如圖5和圖6所示。

3 軟件系統設計與實現

本課題數據采集終端設計采用IAR Embcdded Work-bench IDE集成開發環境，其支持大量微處理器和微控制器，大大節省工作空間和時間，提高了效率。該軟件相較其他編譯軟件，界面美觀簡潔，操作方便快捷，為用戶提供好的開發環境。系統的大致開發流程為：先，完成代碼編寫和錄入，然后編輯程序代碼，進行調試，之后生成hex文件，末尾將生成的hex文件下載到開發系統上，進行程序下載。而遠程抄表管理系統采用Java語言設計,主要實現采集儀表數據，對數據采集終端進行配置和管理，并對下層儀表數據進行管理、監控等。

3.1功能分析

通過以上研究和分析，基于窄帶物聯網技術的遠程抄表系統主要實現集抄儀表數據，采集終端通過ＮＢ通信將數據傳輸到上層，通過上層管理平臺可以對采集終端進行配置和管理、對下層儀表數據進行管理、監控等。本文設計的遠程抄表系統適用于流量計、熱量表、水表等儀表，可設置靜默時間，在靜默時間內每天在零點時進行次下行采集和上傳，更好地滿足低功耗需求。

3.2采集終端主程序設計

數據采集終端上電后，行系統初始化，之后采用while確保程序持續進行。喂狗后對NB工作模式等進行定義。等待串口1接收完數據且NB登錄成功之后，對接收數據進行處理，上傳至上位機，之后對串口2.3接收數據進行處理，判斷是否進入休眠模式。程序運行次的過程如圖7所示。

3.3單片機初始化模塊設計

采集終端上電之后，先關閉中斷，使用SystemClock-Init()函數切換到外部16MHz時鐘，此系統時鐘初始化函數如下：

隨后初始化I/()、EEPROM和定時器，允許終端，并初始化串口1和外部看門狗，隨后初始化串口2,3使用的定時器，并先后對串口2,3的I/()口進行初始化。之后對內部EEPROM進行初始化，讀取配置參數、下行采集命令，初始化實時時鐘和NB模塊，先后測量兩次電池電壓。開啟采集上傳，開啟MBUS電源并點亮運行指示燈，喂狗，若顯示年月日不合法，則初始化為指D值。

3.4串口1接收處理模塊設計

先判斷NB是否登錄成功，若未登錄成功，則退出函數；若串口1接收未完成，同樣退出函數。若不符合面的兩種情況，接收完成標志置零，判斷串口1接收到的內容，若為“NSONMI：”命令（此命令的功能為通知消息已經被個socket接收并等待被讀取），則返回1，反之返回0。當返回1時，等待串口1傳輸完成，復位后發送“AT+NSORF=0.256”命令（此命令表示從socket上接收數據），對收到數據判斷合法性進行判斷，若合法，返回有效數據指針，不合法返回0。判斷數據長度的代碼如下：

3.5遠程抄表管理平臺設計

根據系統設計需求和技術研究，遠程抄表管理平臺設計實現下面功能。

(1)抄表功能

采集、存儲儀表數據、狀態以及參數等，例如瞬時流量、累計流量、溫度、累計工作時間、時間、管道裝反標志、流量錯誤標志、欠壓標志、溫度錯誤標志、瞬時流量小數點標志、管道口徑等，實現對下層儀表監控。

(2)數據讀取

讀取上次抄表熱量、熱功率、當熱量、瞬時流量、累計流量、供水溫度、回水溫度、累計工作時間和實時時間，表地址還包括狀態參數，例如鉑電阻斷線標志、鉑電阻短路標志、溫差標志、流量標志、欠壓標志、管道裝反標志等。

(3)基本參數設置

設置個13位的條形碼作為識別數據采集終端的標識，管理平臺對其進行設置和讀取，另外讀取IP地址，設置端口，讀取備用IP，對備用端口進行設置。

(4)數據采集終端參數讀取

讀取數據采集終端的程序版本號、電池電壓等基本參數，讀取下行采集命令。

(5)數據采集終端參數設置

配置串口、數據采集終端工作模式、靜默參數以及其他。在串口配置中，對可讀取采集數據波特率進行讀取，對奇偶校驗位進行設置；采集終端工作模式分為實時模式和休眠模式；配置靜默參數時，可以選擇對標志位進行啟用和禁用，設置靜默時間段的起始和終止時間，同時對采集數據的時間間隔、心跳包時間間隔、上傳數據時間間隔進行讀取和修改，對表類型、水表地址進行讀取和設置，并可對下行采集命令進行配置。圖8與圖9為遠程抄表管理平臺的部分截圖。

4 安科瑞遠程預付費抄表系統的介紹及應用

4.1系統簡介

系統為B/S架構，主要包括端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。

4.2系統功能

AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。
  本系統適用于些大集團和大物業，往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表。

遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，并比對充值次數防止作B，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾H實現在線自助充值水電費，也可以實時關注商鋪用水用況。 

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

遠程控制:可對任意塊電表執行遠程拉閘或保電等系列遠程控制操作，方便管理。

4.3設備選型

 5 結語

  本文設計的基于窄帶物聯網的遠程抄表系統采用窄帶物聯網技術實現儀表與采集終端之間的通信，并且通過采集終端與上位機之間的通信實現對儀表數據的管理、存儲、分析和應用。通過科學的抄表管理平臺對收集的數據進行適當處理和分析。采集終端通過NB通信將儀表數據傳輸到上層，通過上層管理系統可以對數據采集終端進行配置和管理，對下層儀表數據進行管理和監控等。遠程抄表系統支持抄表、設置和讀取采集終端數據的功能，并支持多種通信方式，配有MBUS或RS485下行接口，經測試和計算，待機功耗小于20μＡ，壽命長達10年，為現有遠程抄表系統的升級改造提供了參考方案。

參考文獻

[1] 家發展改革委辦公廳．關于組織開展2014-2016年家物聯網重大應用示范工程區域試點工作的通知.

[2] 韓進，張璽.窄帶物聯網的遠程無線抄表系統設計.

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.