楊友良 陳宇擎 馬翠紅

摘 ?要： 文中設(shè)計采用區(qū)別于廣域物聯(lián)網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行預(yù)付費燃氣表的通信傳輸，解決了廣域物聯(lián)網(wǎng)所需基站多、覆蓋范圍小的問題。應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的預(yù)付費燃氣表裝置的設(shè)計采用模塊化的方式。主控制器選擇MSP430F4152，采用SARA?N2系列模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸功能，軟硬件設(shè)備相互配合，更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、自動傳輸、物聯(lián)網(wǎng)付費及遠程調(diào)價等功能。通過低功耗測試實驗表明，該裝置通信性能好，計費測量準確，電能消耗量低，使用壽命長。

關(guān)鍵詞： 預(yù)付費燃氣表; 窄帶物聯(lián)網(wǎng); 系統(tǒng)設(shè)計; 數(shù)據(jù)傳輸; 遠程調(diào)控; 能耗測試

中圖分類號： TN915?34; TP216 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0091?04

Abstract： In this design， the narrow?band Internet of Thing （NB?IoT） technology different from the wide?area IoT is used to carry out the communication transmission of the prepaid gas meter， which solves the problems that the wide?area IoT requires many base stations and has a small coverage. The prepaid gas meter device applying NB?IoT technology is designed in a modular manner. The MSP430F4152 is selected as the main controller， the SARA?N2 series modules are adopted to realize the transmission function of the wireless data， and the hardware and software devices are cooperative with each other to better realize the functions of real?time monitoring and automatic transmission of data， IoT payment and remote price adjustment， etc. The testing experiment results of low?power consumption show that the device has good communication performance， accurate billing measurement， low power consumption and long service life.

Keywords： prepaid gas meter; NB?IoT; system design; data transmission; remote control; energy consumption test

0 ?引 ?言

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算以及大數(shù)據(jù)分析都在迅猛發(fā)展，國家相關(guān)部門提出豐富智能終端高級測量系統(tǒng)的實施功能，使得水表、氣表、電表、燃氣表能夠穩(wěn)步實現(xiàn)集中采集和集中抄表[1]。目前常用的智能燃氣表有智能卡表和無線抄表，其中智能卡表在使用中自動扣除費用，方便公司管理收費，但也存在需要生產(chǎn)智能充值卡增加成本的問題;無線抄表主要采用無線射頻或ZigBee 進行數(shù)據(jù)傳輸，這種表存在傳輸距離短、覆蓋范圍小、需要基站多的問題，增加了建設(shè)和維護成本[2?3]。NB?IoT技術(shù)是一種獲得國際認可的新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在近幾年的發(fā)展中受到國家的大力扶持，因其低功耗的優(yōu)勢獲得企業(yè)的廣泛關(guān)注，它為物聯(lián)網(wǎng)中的海量設(shè)備提供連接，化簡了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超強待機的功能[4]。此項技術(shù)更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)場景，應(yīng)用于抄表系統(tǒng)中大有裨益[5]。

1 ?應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的燃氣表裝置總體設(shè)計

為提高整個遠傳智能燃氣表裝置運行的準確性，選用單片機作為整個裝置的核心模塊，選用CPU卡作為整個系統(tǒng)信息存儲與交換的載體。對于系統(tǒng)的運行參數(shù)，如用戶購買氣量、管內(nèi)剩余氣量等信息都保存在E2PROM中。四聲道超聲流量計對氣體流量值進行檢測，溫度、壓力傳感器對燃氣表的使用環(huán)境進行輔助監(jiān)測，利用NB?IoT通信模塊將各種數(shù)據(jù)資源實時輸送到PC端，使得燃氣用戶和管理人員可通過網(wǎng)絡(luò)訪問后臺服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)信息，使得應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的天然氣表更加智能化。

應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的預(yù)付費燃氣表裝置整體設(shè)計框圖如圖1所示。

預(yù)付費遠傳智能燃氣表實現(xiàn)功能為：天然氣流量的計費與控制、設(shè)備的顯示與報警、信息的上傳和交互。報警情況如下：電池欠壓、管道氣體過流、閥門打開及關(guān)閉、室內(nèi)燃氣泄漏、系統(tǒng)非正常操作、用戶欠費等。當設(shè)備報警時，電動機閥門關(guān)閉，蜂鳴器發(fā)聲，顯示屏報警顯示。

2 ?NB?IoT介紹

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB?IoT）以它低功耗的優(yōu)勢使設(shè)備更易在廣域物聯(lián)網(wǎng)中進行連接[6]。NB?IoT的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 低功耗低成本

NB?IoT技術(shù)對其存儲信息、射頻天線電路、適用算法的要求都比較低。NB?IoT無需重新建立服務(wù)器，可對三大運營商現(xiàn)有的服務(wù)平臺進行租賃，得到較低的建設(shè)維護成本。

2） 廣覆蓋

NB?IoT具有良好的信號穿透能力，在密集建筑物、地下室、隧道內(nèi)都能實現(xiàn)良好的覆蓋。

3） 強連接

NB?IoT的單個扇區(qū)可達到上萬的連接量，在同等條件下是傳統(tǒng)移動通信技術(shù)的50～100倍。

NB?IoT技術(shù)的優(yōu)勢使得其在智能電表、智能氣表、智能水表等設(shè)備的遠程管理上具有較好的應(yīng)用，能有效地解決當前物聯(lián)網(wǎng)遠距離數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定和設(shè)備功耗較高等問題。用戶設(shè)備終端通過安裝相應(yīng)SIM卡的方式接入NB?IoT網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)與運營商所部署的NB?IoT基站之間信息收發(fā)，并進一步經(jīng)過核心網(wǎng)實現(xiàn)基站與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的連接，物聯(lián)網(wǎng)云平臺完成各類業(yè)務(wù)的運算與處理，所得到的結(jié)果可反饋到用戶設(shè)備終端，也可使用行業(yè)應(yīng)用設(shè)備讀取[7]。

預(yù)付費燃氣表裝置的研究在感知層收入傳感器信息，并通過微控制器對電動閥門的開關(guān)進行控制，所融合的傳感器信息通過NB?IoT傳輸層與平臺層上傳到應(yīng)用層的天然氣運營管理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)的交換與分析以及綜合業(yè)務(wù)的管理。

3 ?預(yù)付費遠傳燃氣表的硬件設(shè)計

3.1 ?單片機最小系統(tǒng)

應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的預(yù)付費燃氣表裝置采用MSP430F415作為設(shè)備的主控制器，為配合MSP430F415微控制器實現(xiàn)超低功耗，將外圍電路按功能劃分成各個模塊，并將CPU調(diào)整到適配狀態(tài)，使外圍電路能夠在不受CPU工作狀態(tài)的影響下獨立運行[8]。以MSP430F415為主控制器的最小系統(tǒng)如圖2所示。復(fù)位電路由10 kΩ的電阻與0.1 μF的電容組成，實現(xiàn)上電復(fù)位和手動復(fù)位的功能。32.768 kHz的超低功耗晶體振蕩器能有效地降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)采用的兩個12 pF的電容作為旁路電路，來降低數(shù)模電源帶來的干擾。其中需要在模擬電源和數(shù)字電源之間加入一個0 Ω電阻和一個10 mH電感，進行電路的隔離處理。

3.2 ?閥門驅(qū)動電路

應(yīng)用NB?IoT技術(shù)的燃氣表中對于閥門電路的控制也至關(guān)重要，本次設(shè)計采用DRV8832DGV芯片，它的作用是實現(xiàn)系統(tǒng)小電流向大電流的轉(zhuǎn)換。該芯片能實現(xiàn)電動機閥門的安全啟動，以及設(shè)備的過壓、限流、過溫保護。芯片的正常工作電壓為2.75～6 V，輸出最大電流為1 A，對PWM電壓的管理能力[9]達到94%，使系統(tǒng)更加安全高效。單片機的P2.1口和P2.2口連接芯片的輸出端，兩個端口通過控制電平的高低來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電動閥門的打開或關(guān)閉。預(yù)付費天然氣表的閥門電機電源線與驅(qū)動芯片的OUT1和OUT2端口相連。

3.3 ?窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信模塊的設(shè)計

預(yù)付費遠傳燃氣表通信模塊的設(shè)計采用瑞士U?blox公司生產(chǎn)的SARA?N2系列模塊，其單個單元的工作時?？蛇_到10～20年之久，有效地提高家庭用表的工作年限，工作溫度在-40～85 ℃，能在工業(yè)用表中進行推廣。

基于SARA?N2模塊的預(yù)付費遠傳燃氣表通信電路圖如圖4所示，模塊支持串行通信接口UART，因RESET_N中存在上拉電阻，可與單片機直連。當單片機產(chǎn)生復(fù)位信號時，復(fù)位引腳RESET_N邏輯為0，其余時段保持為邏輯1。單片機與通信模塊之間采用串口異步收發(fā)傳輸器。在SIM卡直接相連的電路上并聯(lián)接地電容，防止天線造成電流干擾，ANT_DET 管腳為檢測管腳，其輸出1個直流電流，用以檢測是否連接天線。

4 ?預(yù)付費遠傳燃氣表軟件設(shè)計

4.1 ?總體軟件程序設(shè)計

預(yù)付費燃氣表設(shè)備的軟件功能主要包括CPU卡數(shù)據(jù)模塊的讀寫操作以及數(shù)據(jù)間的加密傳輸、燃氣流量的計量、對電壓的數(shù)模采樣、無線通信報警、設(shè)備端的屏幕顯示。系統(tǒng)在進入主循環(huán)之前首先進行復(fù)位操作，并在特殊功能寄存器中設(shè)定初始值，將內(nèi)部存儲單元清零。進入主循環(huán)之后，先進行故障判斷，若發(fā)生故障則進行關(guān)閥處理，單片機停止運行，報警模塊進行報警。當燃氣表中的氣體量低于設(shè)定的最低值時，顯示模塊顯示“氣量不足，請購氣”。當流量采集模塊檢驗到管內(nèi)氣體量不足時，單片機控制電動機閥門關(guān)閉，預(yù)付費天然氣表停止工作。

4.2 ?中斷程序設(shè)計

中斷程序需要明確各個子模塊功能，為此采用模塊化的設(shè)計方式對天然氣預(yù)付燃氣表裝置進行設(shè)計，充分明確了各個模塊的入口與出口。中斷程序的主要軟件模塊有：系統(tǒng)掉電處理子模塊、CPU卡操作子模塊、脈沖處理子模塊、設(shè)備泄漏報警子模塊以及電壓檢測子模塊。

5 ?系統(tǒng)能耗測試

應(yīng)用NB?IoT 技術(shù)的預(yù)付費燃氣表的推廣需要降低其各模塊功耗，系統(tǒng)低功耗測試如表1所示。從表中發(fā)現(xiàn)，預(yù)付費燃氣表裝置的系統(tǒng)功耗分為休眠功耗和工作功耗。系統(tǒng)除了主MCU、采樣模塊、通信模塊外，其余模塊大部分時間處于休眠狀態(tài)，系統(tǒng)的電流消耗約為：

6 ?結(jié) ?語

針對于當前廣域物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中遠傳燃氣表出現(xiàn)的所需基站多、覆蓋范圍小的問題，對預(yù)付費型遠傳燃氣表裝置采用NB?IoT技術(shù)進行通信傳輸。外圍電路的搭建和內(nèi)部軟件的設(shè)計以降低能耗為主要標準。實驗結(jié)果表明，這種應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的預(yù)付費型燃氣表具有更成熟的網(wǎng)絡(luò)功能和更高的使用年限，為消費者和公司提供一個安全便利的天然氣貿(mào)易估算平臺[10]。

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