, ，，

(1.北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048； 2.煙臺市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，山東 煙臺 264009)

0 引言

智能網(wǎng)關(guān)采用物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)NB-IoT技術(shù)，主要設(shè)計(jì)用于小區(qū)家庭中水、電能、燃?xì)馊頂?shù)據(jù)的共同采集，達(dá)到家庭物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)廣域傳輸中節(jié)能降耗的初衷。傳統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)通常采用GPRS、ZigBee、LoRa等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸至智能云平臺。文獻(xiàn)[1]中使用GPRS技術(shù)完成了小區(qū)電力智能抄表的設(shè)計(jì)，但受到一定阻礙，如信號覆蓋不穩(wěn)定、傳輸距離受限、功耗大及數(shù)據(jù)量大造成的終端數(shù)據(jù)飽和等因素。文獻(xiàn)[2]中使用ZigBee技術(shù)完成了智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，但ZigBee無線模塊價(jià)格昂貴，且對信道帶寬要求較高，導(dǎo)致海量部署困難。LoRa技術(shù)發(fā)展較為成熟，但目前全面部署面臨一定阻礙，且所用頻段目前處于受制狀態(tài)，因此NB-IoT成為主流之選[3]。支持3種方式部署的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)，在相同發(fā)射功率下覆蓋比LTE增加20dB，信號穿透性強(qiáng)，低功耗待機(jī)時(shí)間可維持10年之久，單個(gè)小區(qū)用戶連接可達(dá)5萬余，適用于剛需智能家居設(shè)備[4-5]。

本文設(shè)計(jì)了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的“三表合一”智能網(wǎng)關(guān)，采用國內(nèi)已搭建完成的公共射頻網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片，可以精確獲取三塊表的使用數(shù)據(jù)，配合智能云平臺，采用上位機(jī)程序智能調(diào)控各網(wǎng)關(guān)，構(gòu)成智能網(wǎng)關(guān)[6]，解決了家庭物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)廣域低成本傳輸中節(jié)能降耗的問題。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)NB-IoT發(fā)展現(xiàn)狀，NB-IoT智能網(wǎng)關(guān)部署架構(gòu)包括智能網(wǎng)關(guān)采集終端、智能云平臺及用戶接收終端，如圖1所示。

智能網(wǎng)關(guān)采集終端即由智能網(wǎng)關(guān)連接三表構(gòu)成，采用485通訊，與NB-IoT基站通過CoAP協(xié)議傳輸，經(jīng)由智能云平臺通過虛擬專用撥號網(wǎng)(VPDN)運(yùn)營商專屬的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至接收終端，形成完整架構(gòu)部署。

采集終端主要由主控制器電路、RS-485通信電路和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路構(gòu)成。工作中，由主控制器控制依次將三塊表數(shù)據(jù)采集至智能網(wǎng)關(guān)中，存儲于主控制器中，由CoAP協(xié)議組裝、解析，由USR-NB75模組向NB-IoT基站傳輸。

智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備可接入智能云平臺，利用SDK和API接口實(shí)現(xiàn)自主開發(fā)軟件功能，由智能云平臺對智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測各智能網(wǎng)關(guān)，通過微信公眾號等方式即時(shí)報(bào)警功能，并通過HTTPS協(xié)議傳輸水、電能、燃?xì)馊龎K表數(shù)據(jù)至接收終端。

用戶接收終端主要由PC端或手機(jī)端構(gòu)成，接收終端上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解析、校驗(yàn)、處理并給予反饋，亦可采用PC端或手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)情況，接收終端根據(jù)用戶需求查看或下載數(shù)據(jù)，并可將調(diào)控指令反饋至智能云平臺進(jìn)行命令轉(zhuǎn)接，對智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行調(diào)控。

2 智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能網(wǎng)關(guān)硬件功能設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)由電源模塊、主控制器、三表對應(yīng)的RS-485接口、NB-IoT模組及液晶顯示器構(gòu)成，并包含SPI藍(lán)牙模塊接口，增強(qiáng)智能網(wǎng)關(guān)可擴(kuò)展性，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

智能網(wǎng)關(guān)采用AMS1117電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行全局供電，主控制器通過UART接口與3選1I/O選擇器與三表進(jìn)行異步通信，定時(shí)向三表依次發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令，三表接收指令后回復(fù)數(shù)據(jù)；同時(shí)主控制器控制NB-IoT模組定時(shí)向已部署的NB-IoT基站傳輸三塊表采集的數(shù)據(jù)。智能網(wǎng)關(guān)報(bào)警時(shí)液晶顯示器顯示報(bào)警情況，同時(shí)報(bào)警信息即時(shí)傳輸至用戶手機(jī)終端。此外，藍(lán)牙模塊接口可用于智能家居，如監(jiān)測智能穿戴設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測家庭中老人狀況，各模塊協(xié)同合作構(gòu)成智能網(wǎng)關(guān)。

智能網(wǎng)關(guān)經(jīng)由采集接口直接連接水、電能、燃?xì)馊龎K表，由家庭電壓220 V供電，電壓進(jìn)入智能網(wǎng)關(guān)前經(jīng)過AC/DC模塊轉(zhuǎn)換，將220 V電壓轉(zhuǎn)為5 V電壓，再經(jīng)過AMS1117電源元件將5 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V對智能網(wǎng)關(guān)中各模塊全局供電，通過主控制器控制數(shù)據(jù)的定時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT模塊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并通過NB-IoT模塊綁定的CoAP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。智能網(wǎng)關(guān)報(bào)警、時(shí)鐘及各表工作情況均通過液晶顯示屏顯示。藍(lán)牙模塊作為萬物聯(lián)網(wǎng)智能家居擴(kuò)展接口，可連接老人防摔倒設(shè)備，監(jiān)測老人安全動態(tài)。

智能網(wǎng)關(guān)封裝選取86盒規(guī)格，大小為86 mm×86 mm的正方形底盒，并將TLT-LCD液晶顯示器嵌于正表面。該底盒可有效防范漏電，并在較小改變房屋電氣布局基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了智能網(wǎng)關(guān)的安裝，符合智能網(wǎng)關(guān)在家庭應(yīng)用中安全且便捷的需求。

2.2 主控制器電路設(shè)計(jì)

主控制器采用STM32F103內(nèi)核Cortex-M3微處理器與三路RS-485差分信號負(fù)邏輯芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別獲取三塊表的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作時(shí)鐘為72M，工作電壓3.3 V，外圍設(shè)備豐富，抗干擾能力強(qiáng)。智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)初始化后，STM32F103芯片進(jìn)入低功耗模式，等待定時(shí)中斷喚醒STM32F103芯片，并在傳輸數(shù)據(jù)前喚醒NB-IoT模塊。同時(shí)，Cortex-M3微處理器可根據(jù)報(bào)警信息即時(shí)控制各表關(guān)停，避免各表持續(xù)異常工作，并將報(bào)警信息顯示在TLT-LCD液晶顯示器模塊上。主控制器原理圖如圖3所示。

圖3 主控制器原理圖

主控制器電路設(shè)計(jì)包含看門狗電路，防止主控制器進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)。并包含RS-485芯片接口及I/O選擇器電路。要求當(dāng)且僅當(dāng)I/O選擇器選中的發(fā)送口R0/R1與接收口T0/T1為同一塊表的收發(fā)接口時(shí)，該表被選通，Cortex-M3微處理器可通過指令對該表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主控制器芯片中亦包含NB-IoT模組接口、藍(lán)牙模塊接口及TLT-LCD模塊接口。

2.3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路設(shè)計(jì)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路包含物聯(lián)網(wǎng)模塊系列的USR-NB75模塊及外圍電路，在智能網(wǎng)關(guān)初始化后，等待NB-IoT模塊被喚醒后，與綁定了運(yùn)營商IP的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)專用卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，再經(jīng)由已部署的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)即800 MHz射頻頻段將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT基站。USR-NB75模組采用5-16 V供電，與Cortex-M3微處理器UART接口連接，實(shí)現(xiàn)NB-IoT模組與主控制器之間的異步通信，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路設(shè)計(jì)

在NB75模塊中內(nèi)嵌心跳包，定時(shí)對其進(jìn)行喚醒，保證傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。并設(shè)置復(fù)位接口，使主控制器可通過AT指令集控制NB75模塊，在智能網(wǎng)關(guān)初始化時(shí)選通復(fù)位接口，使NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路復(fù)位。NB75模塊與主控制器通過UART串口異步通信，TXD口數(shù)據(jù)發(fā)送，RXD口用于數(shù)據(jù)接收。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路將NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與微控制器系統(tǒng)相連接，使微控制器在采集水、電能、燃?xì)馊頂?shù)據(jù)后可將數(shù)據(jù)打包，控制數(shù)據(jù)包經(jīng)由NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸至基站。

2.4 擴(kuò)展接口：藍(lán)牙模塊功能設(shè)計(jì)

STM32芯片上已預(yù)留串口，串口擴(kuò)展接口可連接藍(lán)牙或其他模塊，擴(kuò)展智能網(wǎng)關(guān)功能，以藍(lán)牙模塊為例，藍(lán)牙模塊可連接智能家居如智能穿戴設(shè)備等裝置，加強(qiáng)智能網(wǎng)關(guān)可擴(kuò)展性同時(shí)提升智能家居普及度。在連接智能穿戴設(shè)備，防止老人摔倒的擴(kuò)展應(yīng)用中，智能網(wǎng)關(guān)使用SPI串口連接藍(lán)牙模塊5.0，采用主從模式，主模塊連接UART串口至智能網(wǎng)關(guān)中，從模塊接入智能穿戴設(shè)備中，主模塊通過廣播模式監(jiān)聽從機(jī)信號，實(shí)時(shí)監(jiān)測老人動態(tài)。一個(gè)主機(jī)可連接個(gè)3個(gè)從機(jī)，當(dāng)從機(jī)模塊報(bào)警時(shí)，信號由NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路傳輸，通過智能云平臺及時(shí)推送至手機(jī)端，通知家人。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測試

3.1 NB-IoT采集終端軟件設(shè)計(jì)

采集終端由主控制器全局掌控，定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采集終端軟件流程如圖5所示。

圖5 采集終端軟件流程圖

采集終端進(jìn)行采集系統(tǒng)初始化后，STM32F103芯片進(jìn)入低功耗模式，等待中斷定時(shí)器每半小時(shí)對其喚醒一次，喚醒后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲；同時(shí)中斷定時(shí)器每6小時(shí)控制NB-IoT模塊初始化一次，并連接STM32F103芯片等待數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集完成后退出PSM模式，Cortex-M3微處理器寫入心跳包使能時(shí)延，通過心跳包使能保持NB-IoT模塊與STM32芯片的正常連接，數(shù)據(jù)通過AT指令集發(fā)送至NB-IoT基站。

3.2 用戶接收終端測試軟件設(shè)計(jì)

用戶接收終端測試軟件使用管理者權(quán)限登陸系統(tǒng)，使接收終端服務(wù)器與智能云平臺連接，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包下載從而獲取全部用戶家庭各表使用情況，亦可在界面中查詢單個(gè)用戶的使用數(shù)據(jù)，用戶接收終端測試軟件界面如圖6所示。

用戶終端測試軟件由管理者登陸欄和用戶數(shù)據(jù)欄構(gòu)成。其中管理者登陸欄包括用戶名及密碼輸入框及登陸/斷開按鈕，用戶數(shù)據(jù)欄包括用戶ID框、查詢按鈕、數(shù)據(jù)包下載按鈕及三表已使用和賬戶剩余顯示框。用戶ID框可手動輸入或下拉選擇ID。

管理者輸入在程序中已設(shè)置好的用戶名及密碼，點(diǎn)擊登陸即可登陸用戶終端測試軟件，連接智能云平臺，用戶ID為智能網(wǎng)關(guān)中NB-IoT專用卡的ID，可下拉選擇或手動輸入，點(diǎn)擊查詢即可查詢該ID對應(yīng)用戶家庭中各表數(shù)據(jù)使用情況及預(yù)存賬戶剩余情況。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)包下載即可下載智能云平臺中該管理者賬號已授權(quán)的所有用戶ID的數(shù)據(jù)。方便管理者查詢各用戶情況及下載數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。

用戶接收終端測試軟件可直觀體現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)采集到的數(shù)據(jù)，并可將用戶家庭賬戶中已購買的水、電能、燃?xì)庖延眉笆Ｓ嗔恐稻员砀裥问襟w現(xiàn)，可明確與水、電能、燃?xì)馊磉M(jìn)行對比，查驗(yàn)接收終端所接受數(shù)據(jù)是否有誤，從而監(jiān)測智能網(wǎng)關(guān)及整體傳輸系統(tǒng)正確率。同時(shí)，終端測試軟件可隨時(shí)通過登陸軟件，連接至智能云平臺，向智能云平臺調(diào)取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)包下載至接收終端服務(wù)器中，便于及時(shí)對最新數(shù)據(jù)進(jìn)行下載分析處理。

3.3 數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)及數(shù)據(jù)包定義

(1)數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)方式。

各表數(shù)據(jù)由STM32F103芯片通過RS-485芯片采集，在智能網(wǎng)關(guān)向NB-IoT基站傳輸數(shù)據(jù)過程中可能發(fā)生丟包導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。因此在數(shù)據(jù)包定義時(shí)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)校驗(yàn)方式，設(shè)置循環(huán)冗余校驗(yàn)碼置于數(shù)據(jù)最后2Byte，使校驗(yàn)位與數(shù)據(jù)一同打包、傳輸、解析，解析后的數(shù)據(jù)采用與設(shè)置校驗(yàn)碼相同運(yùn)算方式進(jìn)行計(jì)算，得出校驗(yàn)位與解析得到校驗(yàn)位比較，判斷數(shù)據(jù)是否異常，異常則由智能云平臺向智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行反饋重傳。

(2)數(shù)據(jù)包定義及數(shù)據(jù)傳輸。

本文采用自定義數(shù)據(jù)包對傳輸數(shù)據(jù)幀進(jìn)行定義，數(shù)據(jù)包由幀頭、用戶ID 、三表數(shù)據(jù)、擴(kuò)展接口數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)位和幀尾構(gòu)成，由CoAP協(xié)議將自定義數(shù)據(jù)包打包傳輸，向NB-IoT基站傳輸，具體傳輸幀定義如表1所示。

表1 傳輸數(shù)據(jù)幀定義

在數(shù)據(jù)采集及傳輸時(shí)，水表數(shù)據(jù)及電表數(shù)據(jù)分別保留1位小數(shù)，燃?xì)獗肀Ａ?位小數(shù)，校驗(yàn)位保留3位小數(shù)。幀頭、幀尾、校驗(yàn)碼及各數(shù)據(jù)共同打包，選用CoAP協(xié)議中的需要確認(rèn)消息(CON)類型進(jìn)行傳輸，即智能網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)后需要收到智能云平臺的確認(rèn)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境：將網(wǎng)關(guān)接入一戶家庭中，分別將485總線接入水表、電能表及燃?xì)獗碇校瑯?gòu)成智能網(wǎng)關(guān)采集環(huán)境。三表數(shù)據(jù)經(jīng)智能網(wǎng)關(guān)采集后通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳至智能云平臺，并由智能云平臺進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)由測試軟件顯示數(shù)據(jù)情況。

測試過程：初始化智能網(wǎng)關(guān)，微控制器向各表發(fā)出指令采集水、電能、燃?xì)馊頂?shù)據(jù)，智能網(wǎng)關(guān)連續(xù)工作15天，每半小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，間隔6小時(shí)傳輸一次數(shù)據(jù)，通過測試軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)接收情況。測試結(jié)果表明：

(1)數(shù)據(jù)采集端采集時(shí)間及采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，未發(fā)現(xiàn)存在誤差數(shù)據(jù)，滿足智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)要求；

(2)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延可控制在10s之內(nèi)，在遠(yuǎn)端服務(wù)器接收準(zhǔn)確，未發(fā)生丟包現(xiàn)象，滿足行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)；

(3)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，可穩(wěn)定支持智能網(wǎng)關(guān)運(yùn)行。

測試結(jié)果及分析：在一周時(shí)，登陸測試軟件，通過云平臺調(diào)取智能網(wǎng)關(guān)采集的水、電能、燃?xì)馊頂?shù)據(jù)，此用戶家庭中一周使用水、電、氣使用如圖7所示。

圖7 測試家庭一周用水、電能、燃?xì)馇闆r

如圖7所示，該測試家庭一周中所用電量為23千瓦時(shí)，用水量為4立方米，用燃?xì)饬繛?立方米，經(jīng)查驗(yàn)，接收終端測試軟件所接收數(shù)據(jù)與水、電能、燃?xì)馊砩巷@示數(shù)據(jù)相同。因此，說明智能網(wǎng)關(guān)在采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)至智能云平臺及數(shù)據(jù)從智能云平臺透傳至服務(wù)器時(shí)工作穩(wěn)定。用戶家庭接入智能網(wǎng)關(guān)后，電能消耗未見明顯提升，說明智能網(wǎng)關(guān)功耗較低，滿足用戶家庭中正常使用條件，并且相對水、電能、燃?xì)馊矸謩e采用一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，功耗在理論上降低了三分之二。

4 結(jié)術(shù)語

本文針對水表、電能表、燃?xì)獗頂?shù)據(jù)采集與傳輸功耗較高的問題設(shè)計(jì)了智能網(wǎng)關(guān)。所設(shè)計(jì)智能網(wǎng)關(guān)基于NB-IoT通信技術(shù)，對三表使用數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)采集并傳輸，使用STM32F103芯片采集數(shù)據(jù)，并采用CoAP協(xié)議經(jīng)由NB-IoT模組傳輸，安全性能較高。數(shù)據(jù)經(jīng)由智能云平臺轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)接收終端，便捷采集海量家庭中的各表數(shù)據(jù)并管理相關(guān)數(shù)據(jù)。測試表明所設(shè)計(jì)家庭智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、傳輸距離不受限、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)，可以有效解決海量家庭中采集各表數(shù)據(jù)、智能調(diào)控各表的問題，可擴(kuò)展性強(qiáng)。