樊超

摘 要：燃?xì)獗黼S著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)歷了多代的技術(shù)變革。本文介紹了燃?xì)獗淼耐ㄐ偶夹g(shù)演進(jìn)和NB-IoT無(wú)線遠(yuǎn)傳表的優(yōu)勢(shì)。首先介紹了遠(yuǎn)程抄表的終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);其次對(duì)一款基于中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司出品的NB-IoT模組M5310-A智能燃?xì)獗淼恼w設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了闡述，并且從采集、通信、電源、軟件實(shí)現(xiàn)等方面詳細(xì)介紹了燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;燃?xì)獗?M5310-A;通信模組

1無(wú)線通信智能燃?xì)獗淼募夹g(shù)現(xiàn)狀

隨著我國(guó)近年來(lái)大力發(fā)展清潔能源，天然氣消費(fèi)水平快速提升。燃?xì)獗硪搽S著行業(yè)的發(fā)展經(jīng)過了多輪的技術(shù)換代。第一代燃?xì)獗硎瞧胀ǖ钠つな綑C(jī)械表，需要人工抄表。第二代燃?xì)獗硎荌C卡預(yù)充值燃?xì)獗?，雖然解決了人工抄表但是燃?xì)夤静荒軐?shí)時(shí)監(jiān)控燃?xì)獗頎顩r。第三代是有線傳輸燃?xì)獗?，基于RS485或MBUS總線等技術(shù)的遠(yuǎn)距離抄表，但是施工難度大，線纜成本很高。第四代是無(wú)線遠(yuǎn)傳燃?xì)獗?，這種燃?xì)獗聿捎脽o(wú)線通信技術(shù)，有著方便、成本低等特點(diǎn)，越來(lái)越受到燃?xì)馄髽I(yè)的青睞。

無(wú)線遠(yuǎn)傳智能燃?xì)獗硪搽S著通信技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段。主要包括：以zigbee、433Hz、藍(lán)牙等技術(shù)為代表的短距離局域網(wǎng)燃?xì)獗砗虶PRS、NB-IoT、Lora為代表的長(zhǎng)距離廣域網(wǎng)燃?xì)獗?。而NB-IoT技術(shù)是近幾年才出現(xiàn)的最適合燃?xì)獗淼膫鬏敿夹g(shù)。它具有功耗低、廣覆蓋、成本等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗砹髁啃畔⒌膶?shí)時(shí)采集和閥門控制。

2架構(gòu)設(shè)計(jì)：

本文以使用中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司的NB-IoT模組為例介紹基于M5310-A模組的燃?xì)獗響?yīng)用設(shè)計(jì)。該燃?xì)獗磉x用低功耗STM32系列單片機(jī)做為主控器，通過電源管理芯片為其提供穩(wěn)定的電源，主控器連接按鍵、flash、LED顯示屏外圍接口電路。并且通過采集電路、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、閥門驅(qū)動(dòng)電路與基表相連，實(shí)現(xiàn)抄表、溫濕度采集、閥門控制等功能。主控器通過串口與M5310-A模組相連，通過定時(shí)上報(bào)的形式實(shí)現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)總體框圖如下圖所示：

3測(cè)量電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，燃?xì)饬髁繙y(cè)量使用的是超聲波氣體流量計(jì)，該流量計(jì)主要利用四通道時(shí)差法對(duì)燃?xì)饬髁窟M(jìn)行測(cè)量。主要工作原理是通過超聲波信號(hào)在燃?xì)夤艿乐许樍髋c逆流時(shí)的速度不同來(lái)間接測(cè)量燃?xì)獾牧魉?，從而換算出燃?xì)饬髁俊Ｔ谌細(xì)夤艿乐袣怏w的流速與順逆流情況下超聲波到達(dá)的時(shí)間有關(guān)。本設(shè)計(jì)使用STM32通過SPI接口與TDC-GP22相連。TDC-GP22中的脈沖發(fā)生器可以驅(qū)動(dòng)并產(chǎn)生超聲波，并通過時(shí)間差進(jìn)行換算得出燃?xì)獾牧髁俊?/p>

4通信電路設(shè)計(jì)

燃?xì)獗淼耐ㄐ艈卧饕蒑5310-A模組、SIM卡、天線及外圍電路組成。主控器STM32單片機(jī)通過串口與M5310-A模組相連，通過二極管和電阻串聯(lián)的方式進(jìn)行簡(jiǎn)易的電平匹配，在發(fā)射狀態(tài)VBAT電源電流可達(dá)到500mA以上，為防止電壓跌落電源網(wǎng)絡(luò)需串聯(lián)47uF的去耦電容，并且為較好去除射頻串?dāng)_，還需并聯(lián)pF級(jí)電容提高VBAT網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)。

模組引腳RF端到天線饋點(diǎn)的射頻信號(hào)走線應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制為50歐姆阻抗。射頻線上的特征阻抗是指射頻信號(hào)在傳輸過程中，PCB線上的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的阻抗。射頻線的阻抗設(shè)計(jì)盡量避免突變，因?yàn)橥蛔兊纳漕l線會(huì)導(dǎo)致射頻信號(hào)反射，從而影響射頻信號(hào)的質(zhì)量。射頻走線阻抗的設(shè)計(jì)通常使用仿真軟件進(jìn)行仿真和設(shè)計(jì)。阻抗值主要與介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線寬、共面間距、銅箔厚度等因素有關(guān)。在阻抗仿真時(shí)需要選用PCB設(shè)計(jì)的模型，并填寫相關(guān)的布線和制程工藝參數(shù)。RF網(wǎng)絡(luò)上需要預(yù)留π形濾波電路，可以針對(duì)阻抗不匹配時(shí)進(jìn)行調(diào)試。

5軟件低功耗設(shè)計(jì)

燃?xì)獗碛捎趯?duì)功耗要求很高，是典型的MAR-P業(yè)務(wù)類型。在本燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)中設(shè)置上報(bào)間隔為24h，采用開機(jī)駐網(wǎng)、連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、上行氣表數(shù)據(jù)、接收下行命令、斷電的使用模型，NB-IoT模組的通信功耗占到了整機(jī)功耗的21%，平均一次完整數(shù)傳過程耗時(shí)約20s，而NB-IoT模組的實(shí)際數(shù)據(jù)收發(fā)有效時(shí)間在5s以內(nèi)，約75%的時(shí)間段被消耗在駐網(wǎng)階段。而駐網(wǎng)階段由于有AS/NAS層的數(shù)據(jù)交互，大量功耗被消耗在駐網(wǎng)過程中;并且在駐網(wǎng)成功后，MME與UE中均保存有駐網(wǎng)上下文信息，比如駐留小區(qū)信息、GUTI、T3324、T3412等，可充分利用上述已存在的上下文信息以及TAU間隔，實(shí)現(xiàn)中間過程斷電或PSM恢復(fù)，整個(gè)業(yè)務(wù)流程符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議流程。

具體實(shí)現(xiàn)過程如下描述：

步驟1：首次開機(jī)駐網(wǎng)判斷成功后啟動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸

步驟2：傳輸結(jié)束之后進(jìn)入Idle態(tài)，保存相關(guān)網(wǎng)絡(luò)上下文，并計(jì)算下次傳輸時(shí)間Ttransmit，考慮到計(jì)時(shí)偏差，終端需預(yù)留一定閾值間隔Treserved以防止由于雙方時(shí)間不同步導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)端超時(shí)，需要滿足條件Ttransmit < T3412+Treserved;斷電或進(jìn)入PSM狀態(tài)，其中T3412為TAU更新間隔。

步驟3：在Ttransmit時(shí)間點(diǎn)，MCU喚醒模組，模組恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)上下文，發(fā)起控制面數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)接受后完成數(shù)據(jù)收發(fā)。

重復(fù)步驟2-3。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳正平 基于 NB-IoT 智能水表抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2019（38）.

[2]邵澤華 NB-IoT通信技術(shù)在智能燃?xì)獗淼膽?yīng)用[J]. 煤氣與熱力， 2019（5）.

[3]胡莽. NB-IoT 無(wú)線遠(yuǎn)傳智能燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)與研究[J]. 中國(guó)燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)與安全研討會(huì)， 2019（8）

[4] 黃雙峰. 基于NB-IoT通信的無(wú)線遠(yuǎn)傳燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)[J]. 煤氣與熱力， 2018（8）