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摘要：窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)具有良好的室內覆蓋性能和海量節點(diǎn)容納特點(diǎn)，利用NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)結合傳統蜂窩網(wǎng)絡(luò )改造水電煤公共服務(wù)抄表系統，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢能夠在公共服務(wù)領(lǐng)域得到很好的體現，這正是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代惠及民生的意義所在。設計一套基于 NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊的遠程抄表智能監控系統，通過(guò)ARM處理器搭載BC95模組來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)遠程智能抄表硬件系統，可以代替繁重的人力抄表工作，節約大量人力資源，同時(shí)也具有顯著(zhù)的經(jīng)濟價(jià)值和應用前景。
關(guān)鍵詞:NB-IoT；抄表系統；ARM處理器；BC95模組
 
0引言
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，“智慧地球”的理念已深入人心，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的各種應用不斷刷新著(zhù)人們的眼球，然而對于和人民生活息息相關(guān)的水電煤公共服務(wù)抄表系統卻仍處于較為落后的狀態(tài)，所以討論利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造現代水電煤公共服務(wù)抄表系統的方
法。NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)作為3GPP R13引入的一個(gè)新特性，具備良好的室內覆蓋性能、支持大規模低數據吞吐量、超低功耗及低成本四大優(yōu)勢。采用NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行智能電表、智能水表及智能氣表三表合一的采集，能夠有效解決目前水電煤終端數據的人力采集和數據格式不統一等問(wèn)題，同時(shí)還能夠有效融合地上地下通信、統一多表通信協(xié)議、提高數據傳輸速率及擴大系統通信容量，能夠簡(jiǎn)化系統運行所需的中繼設備，降低運維成本，減少安裝空間，為智慧水務(wù)、智慧燃氣及智慧供電提供遠傳抄表計量數據，進(jìn)而更好地為智慧城市建設提供服務(wù)。因此設計一種基于NB-IoT技術(shù)的多表合一的遠程抄表智能監控系統具有一定的現實(shí)意義和經(jīng)濟價(jià)值。
 
1 系統方案設計
目前，短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在低功率、廣域覆蓋為特征的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應用，而窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)在短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中具有較強的優(yōu)勢。窄帶物聯(lián)網(wǎng)比其他短距離無(wú)線(xiàn)通信（如WiFi）性能更加優(yōu)越，尤其是在大覆蓋、安全性及可靠性方面更為突出。本系統方案主要基于NB-IoT技術(shù)對居民生活水電煤信息采集終端的信息采集、信息傳輸以及狀態(tài)監控，其系統構成主要包括智能計費表、采集終端、NB-IoT基站及服務(wù)器。
其中，智能表及與其連接的采集設備負責對用戶(hù)的水電煤信息進(jìn)行采集并計量，計量信息通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò )以極低的功耗發(fā)送給NB-IoT基站進(jìn)行數據匯總，NB-IoT基站連接服務(wù)器中心，將采集設備采集的智能表參數通過(guò)無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)上傳至服務(wù)器中心。
 
2采集終端方案設計
采集終端是本系統的數據源頭，眾所周知，居民生活所須的水電煤用量每時(shí)每刻都在更新，海量的用戶(hù)水電煤計量信息從智能表被采集終端進(jìn)行周期性采樣，并對數據進(jìn)行打包，按照一定的發(fā)送周期進(jìn)行數據的上傳。采集終端設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式對智能計量表進(jìn)行周期性數據采集，并通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以無(wú)線(xiàn)方式上傳至基站，因此采集終端本質(zhì)上是一個(gè)相對獨立的電子系統，具有超低功耗、睡眠喚醒工作模式智能切換等特點(diǎn)。
該硬件方案主要基于 STM32嵌入式處理器搭載NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊來(lái)構建，主要包含數據采集接口模塊、光耦隔離模塊、按鍵模塊、顯示模塊、NB-IoT通信模塊及電源模塊。                         STM32L433是意法半導體公司在2016年度新發(fā)布的基于“ARMCortex-M4”的低功耗 MCU“STM32L4系列”ARM處理器，CPU內核的工作頻率為80 MHz，在本項目中主要負責對數據采集、存儲以及顯示等功能的調度和處理。
數據采集接口模塊主要用于周期性獲取智能表的數據參數，采集模塊主要包含時(shí)鐘模塊、存儲器單元、顯示電路及按鍵電路。采集裝置還包含AD/DC轉換電路，數據采集接口通過(guò)AD/DC轉換模塊將大電流模擬信號進(jìn)行采樣和交直流轉換，并通過(guò)光耦進(jìn)行信號的隔離，以有效避免在電磁環(huán)境復雜的工業(yè)現場(chǎng)模擬信號對數字系統的干擾，有效提高了系統的可靠性。
NB-IoT通信模塊采用上海移遠通信技術(shù)有限公司所生產(chǎn)NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊 BC95。它是一款高性能、低功耗的NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊，采用了省電技術(shù)，在低功耗模式下（PSW）電流消耗低至5μA，尺寸僅為23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，能限度地滿(mǎn)足終端設備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，同時(shí)有效幫助客戶(hù)減小產(chǎn)品尺寸，并優(yōu)化產(chǎn)品成本。BC95無(wú)線(xiàn)通信模塊主要將采集到的智能表數據按照NB-IoT無(wú)線(xiàn)數據協(xié)議打包并發(fā)送至NB-IoT基站。BC95模塊集成了豐富的接口資源，包括簡(jiǎn)潔方便的射頻接口、UART 串口，可以和STM32L433進(jìn)行方便的數據通信。需注意，NB-IoT設備需要運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )支持，所以硬件上必須有能和SIM卡進(jìn)行數據交互的接口，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST及USIM_VDD等信號則是與SIM卡數據讀寫(xiě)相關(guān)的信號。
電源模塊用于提供整個(gè)硬件系統所需電能。電源模塊主要由調壓模塊、恒流模塊、升壓模塊、整流模塊及微處理器模塊組成。其中，調壓模塊用于調節三相電源的三相電壓；恒流模塊用于將三相電源的三相電壓轉換成三相電流源；升壓模塊用于將恒流模塊轉換的三相電流源進(jìn)行升壓；整流模塊用于對升壓后的電流源進(jìn)行整流；微處理器模塊用于根據整流模塊輸出的二次電流的大小調節所述調壓模塊。采集終端硬件系統是一個(gè)較為復雜的模擬數字混合系統，在實(shí)際調試過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，通過(guò)電路飛線(xiàn)及增加一些元器件得以解決。
 
3 NB-IoT基站及服務(wù)器中心介紹
本項目中NB-IoT基站采用華為公司基于3GPPR13 Cat－NB 1標準開(kāi)發(fā)的基站系統。該設備已經(jīng)在2016年10月經(jīng)過(guò)華為公司和羅德與施瓦茨公司共同完成基本測試成功驗證了空中接口技術(shù)和射頻性能。該基站系統采用eRAN 12.0無(wú)線(xiàn)版本及符合3GPP TS36.141標準的R＆S解決方案，在系統聯(lián)調過(guò)程中與采集數據模塊通信性能良好，同時(shí)也驗證了硬件設備在NB-IoT無(wú)線(xiàn)電通信協(xié)議規范下的通信可靠性和通信質(zhì)量。遠程服務(wù)器中心主要是用作數據的云存儲和遠程管理，在本項目中主要由移動(dòng)運營(yíng)商提供服務(wù)器運營(yíng)和維護服務(wù)。
 
4安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺
4.1 系統方案
系統為B/S架構，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù)，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶(hù)計量箱ADF300L系列，實(shí)現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。 4.2 系統功能
AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預付費電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )完成系統到表的充值、查詢(xún)、監控、控制及短信報警等功能。
   本系統適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著(zhù)數據公網(wǎng)傳輸，財務(wù)操作分散，在線(xiàn)支付，總部財務(wù)扎口等復雜的需求。  
遠程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。 水表預付費:可是查看某區域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設置水價(jià)控閥等操作。 遠程售電:財務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對充值次數，方便快捷。
   
能耗分析:用戶(hù)和管理員都可查詢(xún)預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務(wù)軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶(hù)表的能耗、財務(wù)數據、能耗和財務(wù)的期初期末值等數據。 在線(xiàn)支付:商戶(hù)可以通過(guò)小程序或者微信公眾號實(shí)現在線(xiàn)自助充值水電費，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。 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(shí)短信通知商戶(hù)。
  遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。
 
4.3 產(chǎn)品選型
5結束語(yǔ) 
本文探討了一種基于NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊的遠程抄表智能監控系統的硬件部分。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，利用關(guān)鍵技術(shù)NB-IoT可以實(shí)現對人們生活息息相關(guān)的水電煤計量系統的智能化管理，降低了人力資源成本。本文對遠程抄表智能監控系統的各組成部分進(jìn)行了原理解釋?zhuān)敿毥榻B了嵌入式STM32L433及BC95射頻系統的電路結構，特別是對采集部分電路進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。本系統結合樣機調試測試的數據及錯誤進(jìn)行了硬件電路的修改，并在下一版樣機研制過(guò)程中進(jìn)行完善。
 
 
 
 
 
【參考文獻】
[1] 唐明軍.基于NB-IoT 的遠程抄表系統的硬件設計
[2] 何昌鴻，李星.基于NB-IoT遠程抄表設計研究[J].電子質(zhì)量，2017，（12）：69-71，76.
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06
 
作者簡(jiǎn)介：陳沁雨，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發(fā)展。手機：18702112873（同微信號）；座機：021-69151198；郵箱3008034352@qq.com