吳正平， 張兆蒙， 李 東， 顏 華， 尹 凡， 馬占穩(wěn)

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.深圳市 興源智能儀表股份有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引 言

目前大部分的供水公司采用人工抄表和智能卡表模式。人工抄表模式存在信息采集周期長、錯抄、漏抄、估抄的現(xiàn)象，影響供水公司的經(jīng)濟(jì)效益和社會形象[1]。智能卡表模式，IC卡預(yù)付費(fèi)方式雖然方便公司管理收費(fèi)，但存在生產(chǎn)IC卡增加成本且智能卡表無法聯(lián)網(wǎng)不能反饋用戶用水信息，供水公司難以把握供水的調(diào)度和均衡[2]，為此無線抄表研究被廣大研究者所關(guān)注。對于傳統(tǒng)的無線抄表技術(shù)研究最為廣泛的是ZigBee[2～4],Wi-Fi[5,6],GPRS[7,8]技術(shù)。對于ZigBee、Wi-Fi技術(shù)，覆蓋范圍小、傳輸距離短、需要基站多，不適合進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表[2,8]。GPRS是專為手機(jī)設(shè)計(jì)的授權(quán)頻段網(wǎng)絡(luò)，雖然傳輸距離遠(yuǎn)，可以有效避免外界信號的干擾，但是它的功耗過大、接入量少，當(dāng)水表處在地下室或者位置較深的地方，GPRS信號薄弱，無法保證通信的可靠性[1]。而窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow-band Internet of thing,NB-IoT)是專為滿足廣域、低速率的物聯(lián)網(wǎng)需求設(shè)計(jì)的無線通信技術(shù)，相比于上述的無線通信技術(shù)它更具有信號強(qiáng)、覆蓋廣、大連接、功耗低和成本低等優(yōu)點(diǎn)。如果水表處在信號不好的地方，同樣可以保證通信的可靠性[2,9]。因此,在無線抄表領(lǐng)域，NB-IoT將會成為未來主要發(fā)展趨勢。

本文采用NB-IoT無線通信技術(shù)對智能水表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，通過BC95模塊把采集水表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綉?yīng)用管理系統(tǒng) ，便于供水公司對水表數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和智能管理。

1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能水表抄表系統(tǒng)以NB-IoT技術(shù)為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)主要包括智能水表(成熟產(chǎn)品，無需設(shè)計(jì))、集中器、中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺和應(yīng)用管理平臺。集中器完成水表數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)向云平臺發(fā)送、接收從云平臺下發(fā)的命令等功能。中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺作為橋梁，連接起應(yīng)用管理系統(tǒng)和集中器，實(shí)現(xiàn)集中器采集數(shù)據(jù)的上傳和應(yīng)用管理系統(tǒng)命令的下發(fā)。應(yīng)用管理平臺通過中國電信物聯(lián)網(wǎng)云平臺和集中器，實(shí)現(xiàn)智能水表的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集。集中器平時處于低功耗的待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)需要采集和上報(bào)數(shù)據(jù)時，被自動喚醒，待其完成工作之后，又進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。STM32主控制器[10]通過其引腳與各個模塊進(jìn)行連接，使各模塊協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。顯示模塊用于顯示NB-IoT集中器所處環(huán)境下的溫濕度、時間參數(shù)、電量、BC95模塊的信號強(qiáng)度等信息。BC95模塊主要實(shí)現(xiàn)集中器和云平臺之間的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用管理平臺的數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)。報(bào)警模塊用于實(shí)時監(jiān)測智能水表是否被偷水或者漏水，如有偷水或漏水，報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，并向應(yīng)用管理平臺上傳報(bào)警信號，以便維修和處理。存儲模塊用于存儲采集水表的數(shù)據(jù)信息。溫濕度傳感器模塊主要檢測集中器所處環(huán)境溫濕度，防止集中器處在惡劣環(huán)境下而損壞。電源模塊分別為STM32，BC95、數(shù)據(jù)采集等模塊分片提供電壓，以保證模塊正常工作和系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 STM32主控制器模塊

集中器選用STM32F103RCT6A單片機(jī)作為主控芯片，其外部設(shè)有晶振電路、復(fù)位電路以及電源電路，組成最小的工作系統(tǒng)，確保集中器的主控芯片能正常工作。

2.2 采集模塊

本系統(tǒng)使用RS—485通信協(xié)議的智能水表。集中器上設(shè)置1～4組RS—485接口，通過RS—485接口與一組或者多組智能水表進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)的采集。

2.3 BC95模塊

BC95模塊是一種高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊，華為海思產(chǎn)品。相比與其它的無線通信模塊，BC95具有覆蓋更強(qiáng)、大連接、功耗低和成本低等優(yōu)點(diǎn)[9]。BC95模塊工作電路主要包括：電源模塊、復(fù)位模塊、串口通信模塊、天線模塊、SIM(subscriber identity module)卡接口模塊[11]。本系統(tǒng)采用BC95模塊與主控制器的PA10與PA9相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，通信電路如圖2所示。

圖2 BC95模塊通信電路

2.4 電源模塊

電源模塊供電電路，通過LM2575降壓電源開關(guān)芯片把12 V直流電分別降壓為5,3.6,3.3 V，為RS—485,BC95模塊、STM32主控制器以及其它功能模塊提供額定工作電壓。單片機(jī)根據(jù)需要控制是否對RS485模塊、BC95模塊供電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在Keil5平臺下利用C語言進(jìn)行開發(fā)的，主要包括BC95通信程序和主程序設(shè)計(jì)。

3.1 BC95通信設(shè)計(jì)

BC95模塊入網(wǎng)通信流程如圖3所示。

圖3 BC95模塊入網(wǎng)通信流程

3.2 主程序設(shè)計(jì)

集中器主程序由采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)接收、定時、低功耗運(yùn)行等主要功能組成。

系統(tǒng)通電以后，首先進(jìn)行初始化工作，初始化工作完成以后，STM32主控制器進(jìn)入待機(jī)模式，待采集時間到，主控制器被喚醒，把采集的表編號、表讀數(shù)、系統(tǒng)時間存儲到FLASH中。如果此時距設(shè)置的上傳時間點(diǎn)小于120 s，主控制器待上傳時間到，把FLASH中的水表數(shù)據(jù)通過BC95模塊實(shí)現(xiàn)上傳，若距設(shè)置的上傳時間點(diǎn)大于120 s，主控制器進(jìn)入待機(jī)模式，待上傳時間到，主控制器被喚醒，把FLASH中的水表數(shù)據(jù)通過BC95模塊實(shí)現(xiàn)上傳。在上傳水表數(shù)據(jù)的同時，主控制器把集中器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)如系統(tǒng)時間、溫度、濕度、電池電壓、控制器電壓、信號強(qiáng)度等信息通過BC95模塊一起上傳，從而可以及時掌握集中器的運(yùn)行狀態(tài)。待集中器把運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和水表數(shù)據(jù)上傳完成以后，主控制器上傳一條指令到云平臺，云平臺收到數(shù)據(jù)會采取訂閱的方式通知應(yīng)用管理平臺，詢問是否有下發(fā)命令:如果有，命令下發(fā)到平臺，然后立即下發(fā)到集中器，主控制器進(jìn)行處理，如果沒有，主控制器進(jìn)入待機(jī)模式，集中器實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。

4 系統(tǒng)測試

設(shè)計(jì)了完整的硬件和軟件系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。系統(tǒng)測試首先通過應(yīng)用管理平臺下發(fā)命令，設(shè)置集中器的工作參數(shù)。集中器按照設(shè)定的工作參數(shù)工作。當(dāng)工作參數(shù)中設(shè)置的采集時間到時，集中自動喚醒，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；當(dāng)工作參數(shù)中設(shè)置的上傳時間到時，集中自動喚醒，將采集到的數(shù)據(jù)通過BC95模塊上傳到云平臺, 最后應(yīng)用管理平臺在通過中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的應(yīng)用IP和端口采取訂閱的方式把云平臺解析數(shù)據(jù)提取出來，可以在應(yīng)用管理平臺監(jiān)視采集到的數(shù)據(jù)，集中器的運(yùn)行狀態(tài)等(如圖4所示)。與此同時，應(yīng)用管理平臺,把采集到的水表數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便供水公司實(shí)現(xiàn)智能管理。

圖4 應(yīng)用管理平臺界面

5 結(jié) 論

對系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果表明：基于NB-IoT智能水表抄表系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定地將采集的水表數(shù)據(jù)和集中器的溫濕度等狀態(tài)信息傳輸?shù)綉?yīng)用管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，在集中器位于樓棟信號不好的位置，系統(tǒng)也能保證通信的穩(wěn)定性。能夠更好地解決傳統(tǒng)水表抄表系統(tǒng)的傳輸距離短、覆蓋范圍小、穿透力不強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差等問題，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。一旦該系統(tǒng)運(yùn)用到供水行業(yè)，能實(shí)現(xiàn)供水公司對水表數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控以及智能化管理。