李中陽，黃君委，盧智穎，陳海棠

（浙江蒼南儀表集團(tuán)股份有限公司，溫州325800）

為了解決環(huán)境污染問題，天然氣行業(yè)在我國政府的支持下，實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。那些傳統(tǒng)的管理模式已經(jīng)不適應(yīng)或者約束了燃?xì)庑袠I(yè)的發(fā)展步伐。而近些年興起的智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理模式被廣大燃?xì)夤舅邮芎蜌g迎。特別是我國推出了“互聯(lián)網(wǎng)+”和“中國制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃之后，華為、中興和三大運(yùn)營商等公司凍結(jié)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）核心標(biāo)準(zhǔn)[1]。又因NB-IoT 的功耗低、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，恰好解決了燃?xì)庑袠I(yè)的易燃易爆和工商業(yè)燃?xì)獗戆惭b位置差、或犄角旮旯或地下室信號弱等問題。因此，NB-IoT 技術(shù)被迅速地應(yīng)用于燃?xì)庑袠I(yè)的計(jì)量表具和計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

隨著我國物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，智能手機(jī)的快速普及，在城市燃?xì)獾闹悄芑?、信息化、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用也迅速鋪開。本文研究的課題就是一種典型的應(yīng)用案例。其應(yīng)用NB-IoT 技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄危瑢⑷細(xì)獗砭吲c計(jì)費(fèi)管理平臺相連，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)獗淼闹悄芸刂坪妥詣淤Q(mào)易結(jié)算，通過它可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程開戶、無線集抄、空中充值、遠(yuǎn)程控閥和遠(yuǎn)程調(diào)價(jià)等功能。并結(jié)合當(dāng)前發(fā)達(dá)的第三方支付體系，如微信、支付寶、網(wǎng)銀和信用卡等，可以讓燃?xì)庥脩粝褓徺I其它普通商品一樣，動動手指頭就能用上天然氣。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無線計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework structure diagram of wireless billing management system

本系統(tǒng)主要由物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砗陀?jì)費(fèi)管理系統(tǒng)組成。物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碇饕∟B-IoT 通信模塊、電子計(jì)量模塊、切斷閥和基表；計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)主要包括計(jì)費(fèi)模塊、采集模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和第三方支付模塊等。而本文側(cè)重介紹物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砼c計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)的NB-IoT 技術(shù)和系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)模塊。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 NB-IoT 技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一種新興的技術(shù)，它支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接[2]，也叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。它可以通過對現(xiàn)有4G LTE 系統(tǒng)的空口物理層及高層、 接入網(wǎng)及核心網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[3]，簡化結(jié)構(gòu)和升級軟件程序來構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)。其具有部署靈活、功耗低、覆蓋范圍廣、接入量大、成本低等特點(diǎn)。它既可以在LTE 頻帶外單獨(dú)部署，也可以在LTE 邊緣頻段部署，還能在LTE 頻段內(nèi)部署[4]。其采用節(jié)能模式設(shè)計(jì)，對于實(shí)時(shí)性通信要求不高的設(shè)備，一般采用數(shù)據(jù)打包模式，將數(shù)據(jù)存儲在燃?xì)獗碇?，然后每天定時(shí)上傳一次，使得終端設(shè)備99%時(shí)間都處于深度休眠狀態(tài)，功耗僅為15 μA，一節(jié)電池可以使用10 年，這是物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗磉x擇它作為無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要原因。還有另外一個(gè)重要的原因就是NB-IoT 信號覆蓋范圍廣，它的MCL（最大耦合路損）可以達(dá)到164 dB，在GSM 基礎(chǔ)上覆蓋增強(qiáng)20 dB[5]，對于解決安裝位置較差的燃?xì)獗淼臒o線通信問題起到很大的作用。再加上網(wǎng)絡(luò)改造成本和終端芯片成本都比較低。因此，對于物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碛袠O大的誘惑力。

2.2 NB-IoT 通信模塊設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硎且环N具備物聯(lián)網(wǎng)功能的燃?xì)鈿怏w體積計(jì)量器具，其主要包括無線通信、計(jì)量、閥控和貿(mào)易結(jié)算等功能。為了產(chǎn)品生產(chǎn)、使用、維護(hù)的方便性、通用性和靈活性，我司引進(jìn)了模塊化設(shè)計(jì)理念，將各功能采用獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)，其中通信功能也被設(shè)計(jì)為獨(dú)立的NB-IoT 模塊，與主板之間采用標(biāo)準(zhǔn)RS232 接口TTL 電平連接。

NB-IoT 通信模塊是燃?xì)獗砼c計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)的連接紐帶，其通過無線電波將二者實(shí)現(xiàn)通信。其主要包括NB-IoT 模組芯片、MCU、存儲器、DC/DC 轉(zhuǎn)換芯片、天線、SIM 卡等。其總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 NB-IoT 通信模塊總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure diagram of NB-IoT communication module

其整體采用低功耗設(shè)計(jì)，MCU 選用MSP430 低功耗芯片，可以支持電源完全切斷或處于深度睡眠（PSM）狀態(tài)。為了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議兼容性更強(qiáng)，選擇了多模的中移物聯(lián)NB-IoT 模組M5311，其支持TCP、UDP、CoAP、LWM2M、HTTP、MQTT、TLS 等多種協(xié)議[6]，可以滿足不同的網(wǎng)絡(luò)需求。

一款優(yōu)秀的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗聿粌H僅有硬件支撐，更重要的是實(shí)現(xiàn)豐富的數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、物聯(lián)網(wǎng)等功能的軟件設(shè)計(jì)，如參數(shù)讀寫、無線抄表、遠(yuǎn)程開戶、遠(yuǎn)程充值、遠(yuǎn)程調(diào)價(jià)、遠(yuǎn)程控閥、遠(yuǎn)程讀取價(jià)格信息、遠(yuǎn)程修改系數(shù)等功能。雖然M5311 支持多種協(xié)議，但在該課題中為了通信的兼容性和穩(wěn)定性，選用了TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[7]為無線通信主協(xié)議，通信模式采用主動上報(bào)工作模式，以通信模塊為Socket Client 端，計(jì)費(fèi)管理平臺為Socket Server端，由設(shè)備端發(fā)起撥號鏈接，與服務(wù)端建立通信信道實(shí)現(xiàn)無線通信。NB-IoT 模塊無線通信流程如圖3所示。

圖3 NB-IoT 模塊無線通信流程Fig.3 Flow chart of NB-IoT module wireless communication

2.3 計(jì)費(fèi)功能設(shè)計(jì)

互聯(lián)網(wǎng)購物、互聯(lián)網(wǎng)繳費(fèi)已司空見慣，而物聯(lián)網(wǎng)購氣還是新興事物。本計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼腘B-IoT 模塊的無線通信功能，再加上無線通信過程中的加解密體系和第三方支付功能如微信、支付寶、信用卡、網(wǎng)銀等，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)庥脩舻淖灾轿锫?lián)網(wǎng)購氣功能。其加解密體系采用3DES+MAC 加密方式[8]，MAC 算法是一種非對稱不可逆算法。計(jì)費(fèi)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硗ㄐ胖?，必須事先預(yù)置一組16 字節(jié)Hex 碼的密鑰和一組8 字節(jié)Hex 碼的加密因子，用于充值命令和應(yīng)答命令的加解密。本系統(tǒng)在計(jì)費(fèi)模塊中設(shè)計(jì)了離線充值和在線充值兩種模式。前者為用戶充值后，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)將用戶充值信息先存儲在費(fèi)用結(jié)算數(shù)據(jù)庫，等下次建立無線通信時(shí)，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)會從數(shù)據(jù)庫讀取原先的充值信息并進(jìn)行MAC加密，然后通過無線通道下發(fā)給NB-IoT 模塊，其接收到加密數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)給燃?xì)獗淼腅SAM 模塊進(jìn)行解密[9]和充值過程驗(yàn)證及存儲，然后發(fā)送應(yīng)答命令給NB-IoT 模塊，其響應(yīng)給計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，從而完成整個(gè)購氣過程如圖4 所示；后者為用戶充值時(shí)，直接將充值信息加密后輸送到物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗?，其它過程同上。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)購氣流程圖Fig.4 Flow chart of internet of things purchasing

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本課題設(shè)計(jì)的工商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碇С? 種供電模式：鋰電池供電、太陽能供電和外電源供電。太陽能供電與外電源供電性質(zhì)一致，可視為1 種，即實(shí)時(shí)在線模式。因此，本實(shí)驗(yàn)選用鋰電池供電和外電源供電2 種模式，分別對應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)充值的離線充值和在線充值。

本實(shí)驗(yàn)選用了10 臺物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗順訖C(jī)、10 只本安電源、10 張SIM 卡，結(jié)合無線計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)，分別進(jìn)行了離線充值和在線充值實(shí)驗(yàn)，每臺樣機(jī)每種充值方式各進(jìn)行10 次。其結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 離線充值實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表格Tab.1 Data of offline recharge experiment results

表2 在線充值實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表格Tab.2 Data of online recharge experiment results

由上表可知，兩次實(shí)驗(yàn)的最終充值成功率為100%，效果非常好，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期要求。但無線通信傳輸數(shù)據(jù)過程中還是存在部分重發(fā)現(xiàn)象，由于無線通信本身不穩(wěn)定、 數(shù)據(jù)丟包等情況和設(shè)備自身特性，也影響重發(fā)率的高低。重發(fā)率計(jì)算公式如下：

式中：R 為無線通信重發(fā)率，即補(bǔ)發(fā)次數(shù)與通信總次數(shù)比率；T補(bǔ)為補(bǔ)發(fā)的通信次數(shù)；T總為通信總次數(shù)。

根據(jù)上文表1、表2 數(shù)據(jù)代入式（1）得，離線充值重發(fā)率R離=6.5%，在線充值重發(fā)率R在=4.8%，從兩次實(shí)驗(yàn)的重發(fā)率分析，在線充值的重發(fā)率略低，分析原因有兩點(diǎn)：

（1）供電電量足：在NB-IoT 模塊啟動無線通信撥號，需大功率電流放電，因此需要充足電源供電。外電源供電電量足，有源源不斷的能量給無線模塊供電，而電池相對而言，供電能力相對弱點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)不擁堵：由于外電源供電同臺樣機(jī)的無線通信前后兩包間隔時(shí)間長，通信過程中數(shù)據(jù)串包機(jī)會少，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)時(shí)間充裕，數(shù)據(jù)并發(fā)處理概率也低；電池供電為了節(jié)約電能，兩數(shù)據(jù)包間隔時(shí)間相對短些，串包和并發(fā)概率略高。

因此，物聯(lián)網(wǎng)充值兩種模式都能滿足用戶需求，但從重發(fā)率角度上分析，在線充值的重發(fā)率更低點(diǎn)，有條件的用戶使用在線充值更理想。

4 結(jié)語

隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)充值計(jì)費(fèi)是我國燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展的必然趨勢。本課題研究的無線計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗韺鸩饺〈鷤鹘y(tǒng)的基表和IC 卡表，其市場前景非常廣闊。對于NBIoT 技術(shù)的研究及在燃?xì)獗碇械膽?yīng)用和無線計(jì)費(fèi)管理平臺的研發(fā)有著非常大的商業(yè)價(jià)值。