張蓓

（重慶巨泰物聯(lián)網(wǎng)集團有限公司，重慶，401120）

0 引言

在現(xiàn)代社會城市化建設(shè)不斷發(fā)展的過程中，人們住宅逐漸朝著高層化、智能化的方向發(fā)展。為了使入戶抄表難、工作量大的問題得到解決，供水公司在嘗試各種全新智能化抄表技術(shù)。但是，此技術(shù)無法滿足理想抄表的需求。在新技術(shù)NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)之后，促進了智能水表抄表技術(shù)的發(fā)展，此新型技術(shù)逐漸成為水表行業(yè)的重點[1]。智能水表建設(shè)為智慧城市建設(shè)主要環(huán)節(jié)，NBIOT 技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)話與智能化的管理。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT 的特點

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)就是NB-IoT 技術(shù)，其根據(jù)電信運營商傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建，信道中使用SC-FDMA 通信調(diào)制方式，下行使用OFDMA 通信調(diào)制方式，信號發(fā)射功率為23dBm，能夠升級現(xiàn)有電信網(wǎng)絡(luò)，從而全面覆蓋網(wǎng)絡(luò)。信道占用帶寬為200KHz，能夠在GSM 網(wǎng)絡(luò)、TLE 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)中部署，信道包括帶內(nèi)部署、獨立部署、邊帶部署三種。網(wǎng)絡(luò)連接具有較高的可靠性，比傳統(tǒng)GPRS 覆蓋能力要高20dB，單一基站能夠接入五萬個設(shè)備終端，最大覆蓋范圍為15km，并且實現(xiàn)全面室內(nèi)覆蓋連接。頻段通過運營商網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，安全性比較高，維護和安裝更加的方便[2]。全部低功耗物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備都能夠在廣域網(wǎng)蜂窩數(shù)據(jù)連接中接入，使用不需要中繼星型網(wǎng)絡(luò)模式，能夠提高低功耗設(shè)備待機時間。由于具有龐大市場基礎(chǔ)，并且芯片技術(shù)的成本比較低，所以能夠降低成本。NB-IoT技術(shù)具有較高的安全性、可靠性與低功耗、低成本得到特點，能夠使智能水表領(lǐng)域存在的抄表問題得到解決。

目前物聯(lián)網(wǎng)在藍牙中使用，但是數(shù)據(jù)準確性比較低，功耗比較大。物聯(lián)網(wǎng)和廣域網(wǎng)都能夠使用纖維，但是只能夠應(yīng)用于帶寬終端，比如攝像機等。小容量傳感器雖然在4G 網(wǎng)絡(luò)中使用，但是無法使低容量、低功耗的的需求得到滿足。另外，成本比較低。物聯(lián)網(wǎng)新時代逐漸來臨，將云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)作為基礎(chǔ)，智慧化改造能夠使城市智慧化管理水平得到提高，有效促進水務(wù)企業(yè)的管理[3]。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)智能水表系統(tǒng)架構(gòu)

為了能夠進一步的提高NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)水表終端電池使用的壽命，要利用PSM 模式進行節(jié)電，通過運營商實時、集中、遠程抄讀和控制。數(shù)據(jù)精準可觀，還具備只能收費等服務(wù)、管理，使水務(wù)公司數(shù)據(jù)分析與用水管理更加的方便。圖1 為NB-IoT 應(yīng)用在智能水表中的方案結(jié)構(gòu)，對多樣化數(shù)據(jù)收集后利用終端在物聯(lián)網(wǎng)云平臺中上傳，通過運營商網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)中心上傳數(shù)據(jù)，結(jié)合綜合應(yīng)用層對數(shù)據(jù)進行處理和分析，將指令下發(fā)到智能終端，便于遠程抄讀與控制[4]。

圖1 NB—IoT 應(yīng)用在智能水表中的方案結(jié)構(gòu)

■2.1 NB-IoT 智能水表系統(tǒng)架構(gòu)

NB-IoT 智能水表系統(tǒng)主要包括通信基站、云平臺、水表、管理軟件、服務(wù)器構(gòu)成，在住戶家中安裝智能水表，在水表運行過程中能夠?qū)εR近通信基站進行搜索，之后在云平臺中注冊，云平臺能夠?qū)υO(shè)備中的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)接收能力進行分析。水表數(shù)據(jù)利用基站在云平臺中傳輸，并且還能夠?qū)υ破脚_消息進行接收?？蛻舳塑浖軌蚋鶕?jù)服務(wù)器通過云平臺得到用水量數(shù)據(jù)，對居民涌水量進行監(jiān)測，客戶端軟件也能夠?qū)用裼盟窟M行控制，為每位居民發(fā)送每個月用水量和扣費的情況[5]。

另外，將觸發(fā)電路、外圍配置通訊卡、外置存儲模塊、NB 模塊、LCD 液晶顯示器設(shè)置到微處理器外圍中，實現(xiàn)表計功能。多類型傳感電路能夠收集各種類型的數(shù)據(jù)，包括瞬時流量、官網(wǎng)壓力、終端電壓，還能夠配置采樣精度。通過數(shù)據(jù)自糾錯技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅B 通訊模組中，并且展示在LCD 液晶屏中實現(xiàn)人機交互。其次，指令通過NB 通訊模塊下發(fā)，根據(jù)相應(yīng)的順序緩存微功耗處理器，并且實現(xiàn)MID幀識別序列的添加，與外圍電路結(jié)合處理，對數(shù)據(jù)進行收集，或者對指定動作進行執(zhí)行，匹配MID 序列碼回傳指令后，使上下行數(shù)據(jù)都能夠有序處理與傳輸。智能水表終端利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和后臺系統(tǒng)相互聯(lián)動，實現(xiàn)智能抄表、智能計量、空中升級、存儲等功能[6]。

■2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖2 為系統(tǒng)硬件設(shè)計總結(jié)構(gòu)，STM32 主控制器利用引腳和模塊相互連接，實現(xiàn)各模塊協(xié)調(diào)與系統(tǒng)功能。顯示模塊能夠顯示NB-IoT 集中器環(huán)境中的電量、溫濕度與時間參數(shù)等信號。BC95 模塊能夠使集中器和云平臺進行通信，收集應(yīng)用管理平臺的數(shù)據(jù)。報警模塊能夠?qū)χ悄芩硎欠癯霈F(xiàn)漏水或者偷水的情況進行實時監(jiān)測，如果出現(xiàn)漏水或者偷水，報警模塊報警，并且將報警信號在管理平臺中上傳，方便維修和處理。存儲模塊能夠存儲水表數(shù)據(jù)信息，溫濕度傳感器能夠檢測集中器環(huán)境的溫濕度，避免惡劣環(huán)境下對集中器造成損壞[7]。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計總結(jié)構(gòu)

2.2.1 STM32 主控制器模塊

將STM32F103RCT6A 單片機作為主控芯片，通過電源電路、晶振電路、復(fù)位電路實現(xiàn)外部設(shè)置，創(chuàng)建最小工作系統(tǒng)，使集中器主控芯片能夠正常運行。

2.2.2 采集系統(tǒng)

RS-485 通信協(xié)議智能水表實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計，將RS-485接口設(shè)置到集中器中，利用此接口和智能水表通信，對水表數(shù)據(jù)進行收集據(jù)。

2.2.3 BC95 模塊

BC95 模塊是一種高性能、低功耗的NB-IoT 無線通信模塊，對比其他無線通信模塊，主要特點為功耗低、大連接、覆蓋強、成本低。系統(tǒng)使用BC95 模塊和主控制器PA10、PA9 相互連接，從而對數(shù)據(jù)進行接收和發(fā)送[8]，圖3為BC95 模塊的通信電路。

圖3 BC95 模塊的通信電路

2.2.4 電源模塊

電源模塊供電電路通過LM2575 降壓電源開源芯片，將12V 直流電壓降低到3.3V、3.6V、5V，以此將額定工作電壓提供到其他功能模塊中。單片機對RS485 模塊與BC96模塊供電，從而降低系統(tǒng)在運行過程中的功耗。

■2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 無線抄表數(shù)據(jù)通信協(xié)議

數(shù)據(jù)協(xié)議能夠保證數(shù)據(jù)通信過程中數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方通暢，設(shè)計優(yōu)化程度和系統(tǒng)智能化程度具有密切關(guān)系。在本文設(shè)計過程中，中繼器、LoRa 模塊和帶GPRS 集中器創(chuàng)建水表抄表系統(tǒng)，為了保證各模塊數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)木珳市?，要求系統(tǒng)服務(wù)器連接網(wǎng)關(guān)。通過應(yīng)用層自定義實現(xiàn)方案設(shè)計，對公開傳輸數(shù)據(jù)進行打包與解析，表1 為交互幀格式信息。

表1 交互幀格式信息

節(jié)點通信幀是指在GW 中發(fā)送數(shù)據(jù)，將幀格式充足為節(jié)點通信幀，發(fā)送到服務(wù)器中。之后,GW 使幀格式充足成為loRa 格式后到節(jié)點中發(fā)送，網(wǎng)關(guān)通信能夠使網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器相互交互[9]。

2.3.2 采集節(jié)點設(shè)計

采集節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中添加后，到傳感器報文中發(fā)送，從而收集數(shù)據(jù)。在收集數(shù)據(jù)后接收傳感器返回指令，在集中器接收模塊中發(fā)送數(shù)據(jù)，等待確認消息。如果超過最大的等待時間，要重新發(fā)送數(shù)據(jù)。消息確認后收集完整數(shù)據(jù)，采集節(jié)點程序流程詳見圖4。

圖4 采集節(jié)點程序的流程

2.3.3 集中器軟件設(shè)計

注冊網(wǎng)關(guān)服務(wù)器后，在服務(wù)器中發(fā)送連接信號，等待確認消息。如果連接信號沒有被接收，那么就要對連接信重新發(fā)送。在連接信號接收后，對各節(jié)點數(shù)據(jù)進行接收，將傳輸數(shù)據(jù)打包壓縮。最后，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)進行自動分配，在上位機中傳輸數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測試

實現(xiàn)完整軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計，并且對系統(tǒng)進行測試。在系統(tǒng)測試時通過應(yīng)用管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)下發(fā)，設(shè)置集中器的工作參數(shù)。集中器以設(shè)置參數(shù)工作，在工作參數(shù)對采集時間設(shè)置時，要能夠集中自動喚醒，從而收集數(shù)據(jù)。在工作參數(shù)到上傳時間時能夠集中喚醒，使所收集的數(shù)據(jù)通過BC95 模塊上傳到云平臺中。最后利用管理平臺應(yīng)用IP 與端口采取訂閱方式提取云平臺解析數(shù)據(jù)，在應(yīng)用管理平臺對收集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，圖5 為集中器運行狀態(tài)。另外，應(yīng)用管理平臺使收集的水表數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中存儲，便于供水公司智能管理[10]。

圖5 集中器運行狀態(tài)

4 結(jié)束語

在科技不斷發(fā)展的過程中，人們生活方式與習(xí)慣正在朝著高水平、智能化的方向發(fā)展。目前智能水表包括電纜自動抄表、智能卡式抄表、小型無線智能抄表，智能儀表使此技術(shù)有了進一步的發(fā)展，新技術(shù)已經(jīng)成為水表行業(yè)關(guān)注的重點。目前，智能抄表系統(tǒng)實現(xiàn)智能大數(shù)據(jù)管理，本文對窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能抄表系統(tǒng)中的使用進行分析，對水表進行智能化管理，對行政與管理具有重要使用價值。