唐明軍

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域取得了重要應(yīng)用[1]。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)到2020年，物聯(lián)網(wǎng)將達(dá)到百億級(jí)通信連接規(guī)模。在傳統(tǒng)的H2H模式到M2M模式下，人工對(duì)水表、電表、熱能表以及燃?xì)獗淼某泶嬖趧趧?dòng)力成本高、計(jì)量不精確等方面的問題。應(yīng)用GPRS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，但是GPRS同時(shí)存在定位能力差、信號(hào)弱以及數(shù)據(jù)更新不及時(shí)等方面的弊端。

遠(yuǎn)程抄表技術(shù)需要滿足低功耗、廣覆蓋、易接入等方面的要求，窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT適應(yīng)了遠(yuǎn)程抄表的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕疽螅軌蛴行Ы鉀Q遠(yuǎn)程抄表過程中所面臨的各項(xiàng)問題。例如，在水表的抄表中要求信號(hào)能夠具有較強(qiáng)的穿透能力，在燃?xì)獬碇幸竽軌蚓哂辛己玫膶?shí)時(shí)性。通過設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的APP可以實(shí)現(xiàn)不同用戶對(duì)于數(shù)據(jù)的讀取以及反饋，也可以方便自來水公司、供電公司等管理部門進(jìn)行科學(xué)計(jì)量與數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 NB-IoT通信技術(shù)

NB-IoT屬于LPWAN的授權(quán)頻段的技術(shù)應(yīng)用，根據(jù)規(guī)定工作在500 MHz～1 GHz。在實(shí)際工程應(yīng)用中采用了超級(jí)電容以及PSM等節(jié)電技術(shù)，NB-IoT的使用壽命超過了10年，能夠滿足遠(yuǎn)程抄表對(duì)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸以及低功耗等方面的實(shí)際需求[2]。

NB-IoT技術(shù)采用的調(diào)制方式可以保證數(shù)據(jù)的重傳與比對(duì)，有效提升了數(shù)據(jù)通信的可靠性。NB-IoT遠(yuǎn)程抄表與目前其它的數(shù)據(jù)通信方式對(duì)比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程抄表的對(duì)象就是在空間分布較為分散的各種水表、電表等儀表（多為智能儀表，傳統(tǒng)的機(jī)械表可以采用轉(zhuǎn)換儀器實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)輸出）。因?yàn)閮x表一般都處于較為隱蔽的場(chǎng)所，所以在傳輸過程中信號(hào)會(huì)產(chǎn)生額外的損耗。同時(shí)，由于儀表位置與接收終端位置的水平高度不同，信號(hào)傳播也會(huì)產(chǎn)生一定的損耗。根據(jù)測(cè)算，數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的總體損耗一般會(huì)達(dá)到20 dB左右，因此在遠(yuǎn)程抄表中要充分考慮到現(xiàn)實(shí)的問題，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 NB-IoT遠(yuǎn)程抄表關(guān)鍵技術(shù)

2.1 核心網(wǎng)

遠(yuǎn)程抄表所涉及到的水表、燃?xì)獗?、電表以及熱能表的能量傳輸都屬于小?guī)模數(shù)據(jù)傳輸，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段采用了SCEF，通過SCEF在網(wǎng)絡(luò)中提供了一個(gè)抽象的網(wǎng)絡(luò)接口。核心網(wǎng)的基本功能是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，NB-IoT將數(shù)據(jù)通過上行信道傳輸?shù)組ME，通過SCEF與窄帶物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器連接，以實(shí)現(xiàn)窄帶物聯(lián)數(shù)據(jù)的傳輸[3]。

2.2 工作模式

NB-IoT占用了180 kHz的頻譜帶寬，在實(shí)際使用過程中可以采用獨(dú)立部署、帶內(nèi)部署以及保護(hù)帶部署的方案。不同的部署方式，信號(hào)的抗衰減能力也有不同。NB-IoT的工作模式是采用半雙工模式進(jìn)行信號(hào)的核驗(yàn)，判斷基站與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸是否準(zhǔn)確。

系統(tǒng)采用半雙工的工作模式就是為了適應(yīng)遠(yuǎn)程抄表必須具備的低功耗特征。系統(tǒng)在Type A以及Type B兩個(gè)不同的模式工作，通過在兩個(gè)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換可以使得系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的時(shí)隙，以保證信號(hào)傳遞的可靠性進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí)，不同模式之間可以通過跳頻技術(shù)進(jìn)行載波起始位的有效重新存儲(chǔ)以及隨機(jī)存取的前導(dǎo)。

2.3 信號(hào)接入

采用NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)居民小區(qū)的儀表信號(hào)接入方式上可以采用基于競(jìng)爭(zhēng)的信號(hào)隨機(jī)接入，也可以采用非競(jìng)爭(zhēng)的窄帶信號(hào)隨機(jī)接入方式。在信號(hào)連接過程中需要將NB-IoT設(shè)置為容許信號(hào)延遲，以滿足儀表數(shù)據(jù)讀入的時(shí)延問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸。NB-IoT終端接收到基站的指令時(shí)，終端自動(dòng)完成時(shí)延，基站連接釋放，NB-IoT終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。通過這樣的延遲方式，避免了終端在每一次數(shù)據(jù)接收時(shí)的重復(fù)喚醒，有效降低了NB-IoT終端的模式切換時(shí)的數(shù)據(jù)交換量，降低了系統(tǒng)的功耗[4]。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

NB-IoT終端完成數(shù)據(jù)采集后，需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交荆俳?jīng)過基站傳動(dòng)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫或者指定的終端顯示上。由于終端在同一時(shí)刻只能使用一個(gè)固定的載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此通過多次數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行信號(hào)的鑒別，以有效降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤率，避免信號(hào)不正確的傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，最為重要的就是對(duì)各個(gè)儀表的所在小區(qū)的位置確定，也就是小區(qū)搜索。

小區(qū)搜索中采用x（n）表示通信基站發(fā)送的OFDM信號(hào)，r（n）表示終端的接收信號(hào)，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)男诺捞卣骱瘮?shù)為h（n），將信道中的干擾（主要是高斯白噪聲）定義為w（n），則數(shù)據(jù)的傳輸特性公式為：

對(duì)信號(hào)進(jìn)行NPSS同步，并消除同步脈沖信號(hào)，采取IDTFT進(jìn)行變換，得出輸出信號(hào)的頻域表達(dá)式為：

利用互相關(guān)函數(shù)對(duì)NSSS進(jìn)行檢測(cè)，從Ri(k)中進(jìn)行頻域采樣，檢測(cè)用的頻域點(diǎn)越多，則檢測(cè)的準(zhǔn)確度越高，但是也會(huì)給系統(tǒng)的傳輸帶來延時(shí)。采用互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行小區(qū)搜索可以有效提升工作效率，降低系統(tǒng)的硬件設(shè)備成本。本設(shè)計(jì)中構(gòu)建的互相關(guān)函數(shù)為：

3 射頻測(cè)試

在射頻信號(hào)傳輸測(cè)試中采用了NB-IoT終端移動(dòng)版開發(fā)模塊與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接。測(cè)試采用了Amari LTE100軟件，USRP C210射頻信號(hào)處理模塊，同時(shí)還需要SIM卡、發(fā)送與接收天線、高頻數(shù)據(jù)傳輸線等。采用SSCOM在程序編寫時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)串口的調(diào)試，應(yīng)用TCP/UDP進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境的模擬，對(duì)NB-IoT的發(fā)送功率以及衰減進(jìn)行射頻測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示發(fā)送功率的平均值為20 dB，泄露比小于19 dB，滿足了NB-IoT模塊的實(shí)際需求。

4 APP設(shè)計(jì)

為了能夠方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀測(cè)，基于android進(jìn)行了APP開發(fā)，其UI界面要具有良好的交互性，包括顏色配置、功能按鈕，以適應(yīng)手機(jī)的顯示要求與效果。

采用了阿里云服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程抄表進(jìn)行了服務(wù)器搭建，同時(shí)對(duì)接口的協(xié)議文件進(jìn)行編寫，對(duì)于APP的編寫采用Axure進(jìn)行了軟件的界面開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軟件邏輯，并在服務(wù)器上進(jìn)行測(cè)試，最后按照軟件測(cè)試流程對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試并正式發(fā)布。

5 結(jié) 論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)的不斷普及，對(duì)水表、熱能表、燃?xì)獗硪约半娔鼙淼瘸Ｓ脭?shù)據(jù)的讀取經(jīng)歷了人工讀取、GPRS、LoRa等階段，但是都沒有能夠?qū)崿F(xiàn)高覆蓋率以及低功率、大數(shù)據(jù)、強(qiáng)連接的要求[5]。文中基于NB-IoT技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)程抄表的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議規(guī)范以及射頻測(cè)試等做了詳細(xì)的闡述，同時(shí)開發(fā)了對(duì)應(yīng)的APP，滿足用戶對(duì)于數(shù)據(jù)的查閱以及在線服務(wù)等。NB-IoT技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的市場(chǎng)推廣價(jià)值。