浅谈窄带物联网的远程无线抄表系统的设计及应用

摘要：给出了种基于窄带物联网的远程无线抄表系统的设计方案，采用ＭＢＵＳ通信对底层仪表数据进行采集，数据采集终端使用窄带物联网通信技术将数据发送到上层远程无线抄表管理系统，抄表管理系统实现了仪表数据集抄、读取历史数据功能，并可对数据采集终端进行设置和参数读取，支持多种通信方式，在传统仪表基础上升级安装方便，功耗低，寿命长，成本低。

关键词：窄带物联网；无线抄表；数据采集终端；

0 引言

近年来，物联网技术受到了关注和支持，我开展了不同的示范和试点项目，智慧农业、智能家居、医疗卫生以及工业控制等都取得很大进步。计量领域是居民日常生活的重要部分，现在抄表系统多采用无线技术对仪表数据、参数等进行采集、存储和上传等，对其进行综合处理和应用。

物联网通信技术从传输距离上分为短距离通信技术和广域网通信技术两类，者包括ZigBee,WiFi、蓝牙等，应用于室内场景，数据准确率低、能耗大；后者又被称为低功耗广域网（Low-Power Wide-Aeea Network,LPWAN），目主流的两大LPWAN技术有NB-IOT和LoRa。其他应用在抄表系统中的通信技术中，GPRS技术功耗高、覆盖范围不足，LoRa部署不方便、成本高、无法提供QOS信息、兼容性不强。

NB-IOT是种得到际认可的新兴技术，并得到企业的关注和家的支持，其为物联网中的海量设备提供连接，基于运营商设施建设，简化应用网络拓扑结构，并通过低功耗技术实现设备超长待机，具有强连接、低功耗、深覆盖、低成本、高可靠性等特点，可满足对低功耗／长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务，更适合静态业务场景，应用于抄表系统中大有裨益。

1 系统总体结构

1.1需求分析

本系统旨在设计种基于窄带物联网的远程抄表系统，实现低功耗、长寿命、低成本的设计需求，本系统总体分为下位机、数据采集终端以及上位机三部分，下位机为水表、热量表或者流量计等仪表，设计数据采集终端起到桥梁作用，采用ＮＢ通信技术采集下层仪表数据传送给上位机部分。由于物联网产品应用场景的特殊性，对产品进行充电或者维护的便捷性不大，在设计过程中需要考虑供电、安装、成本这三个方面，因此数据采集终端的设计应该保证体积小巧和安装便捷，并将改造传统仪表的成本考虑到其中，同时采用电池供电，在工作模式上应多采用休眠模式，并添加静默时间设置以保证系统的低功耗，并进步保证系统低成本。

上位机为远程抄表管理系统，主要实现对仪表数据、采集终端参数读取，并可对采集终端的命令、参数以及模式等进行配置，同时实现对历史数据、仪表状态参数以及仪表地址等进行读取。

1.2总体设计方案

本文设计并开发了种以STM8L052C6T6为微控制器、基于窄带物联网的远程无线抄表系统，完成计量领域对个低成本、科学和有效的抄表系统的诉求。该设计采用MBUS通信实现数据采集终端与仪表之间的数据传输，其中RS485通信只作为备选通信方式，默认使用MBUS通信方式。MBUS连接便利、可靠性高、成本低，且MBUS为两线制，直接与仪表相连即可，若将传统仪表进行升级，并不需要将原有装置废弃或者改造，可直接在原有传统仪表基础上将数据采集终端与仪表按照要求相连即可实现升级，节约成本，升级方便。图1为系统架构图。

每个数据采集终端配置可以作为识别的编码，采用内置电池，容量为8500mAh，上行接口通过窄带物联网的UDP方式进行通信，调试接口为红外通信方式，下行接口为MBUS或者RS485，满足体积小巧的设计需求，设计采集终端外形尺寸为85mm*70mm*135mm，考虑到物联网产品应用环境的复杂性，防水等级达到IP68，工作温度范围为-25～+60摄氏度。

经设计、测试和计算，数据采集终端待机功耗小于20μＡ，查阅电池数据手册可知，200μＡ放电时电池容量为7700mAh，按电池利用率75％，天上传3次数据，测试每次从开始采集数据到上传结束耗时分钟，使用MBUS方式时，使用寿命为5.7年，使用RS485方式时，使用寿命为10.8年。

2 硬件系统设计

2.1硬件系统结构

本系统的硬件设计部分主要集中在数据采集终端。硬件部分大致分为8个模块：主控模块、存储模块、复位模块、红外通信模块、红外配置模块、RS485通信模块、MBUS通信模块和NB-IOT模块。具体实际硬件电路包含：STM8L052C6T6单片机以及外围电路、RS485通信电路、FM24CL64存储电路、电源电路、ＮＢ通信模块以及外围电路、MBUS电路、A/D控制输出电路以及红外部分电路。单片机采用STM8L052C6T6，其为意法半导体（ＳＴ）公司生产的种集成电路芯片，选用FM24CL64芯片作为本系统的存储芯片，NB模块采用Lierda（利尔达）公司NB-05-01模块，该模块与移动网络运营商通信基础设施设备使用NB-IOT广播协议，该广播协议只针对静态应用场景，且模块上有个US1M接口的监控电路。系统硬件框架如图２所示。

图2系统硬件框架

2.2 NB模块电路设计

NB-IOT模组类似于3G/4G通信模组，是将设备端数据打包发送给指D平台硬件模组。NB模块采用NB05-01模块，属于NBXX-01中的种。NB模块原理图如图３所示。

图3 NB模块原理图

2.3 MBUS电源电路设计

MBUS电源电路如图4所示，采用SX1308升压芯片，将3.6V升压至24V。SX1308是硕芯科技推出的超小封装、效率高、直流升压稳压电路，输入电压可由2V到24V，升压可至28V可调，且内部集成低RDS内阻100mΩ金属氧化物半导体场效应晶体管的（MOSFFET），可实现高达2A大电流。

2.4 NB电源电路设计

NB模块供电电源采用SP6201－3.3进行稳压调节，SP6201是Sipex（西伯斯）公司生产的款微功耗200mACMOSLDO稳压调节器，在本课题中采用SP6201－3.3，固定输出电压为3.3V，该芯片的输出电压精度高达2％，具有好的负载和线性调节，并具有电流和发热限制，EN引脚是逻辑控制的电子使能。电源电路和电源滤波电路如图5和图6所示。

3 软件系统设计与实现

本课题数据采集终端设计采用IAR Embcdded Work-bench IDE集成开发环境，其支持大量微处理器和微控制器，大大节省工作空间和时间，提高了效率。该软件相较其他编译软件，界面美观简洁，操作方便快捷，为用户提供好的开发环境。系统的大致开发流程为：先，完成代码编写和录入，然后编辑程序代码，进行调试，之后生成hex文件，末尾将生成的hex文件下载到开发系统上，进行程序下载。而远程抄表管理系统采用Java语言设计,主要实现采集仪表数据，对数据采集终端进行配置和管理，并对下层仪表数据进行管理、监控等。

3.1功能分析

通过以上研究和分析，基于窄带物联网技术的远程抄表系统主要实现集抄仪表数据，采集终端通过ＮＢ通信将数据传输到上层，通过上层管理平台可以对采集终端进行配置和管理、对下层仪表数据进行管理、监控等。本文设计的远程抄表系统适用于流量计、热量表、水表等仪表，可设置静默时间，在静默时间内每天在零点时进行次下行采集和上传，更好地满足低功耗需求。

3.2采集终端主程序设计

数据采集终端上电后，行系统初始化，之后采用while确保程序持续进行。喂狗后对NB工作模式等进行定义。等待串口1接收完数据且NB登录成功之后，对接收数据进行处理，上传至上位机，之后对串口2.3接收数据进行处理，判断是否进入休眠模式。程序运行次的过程如图7所示。

3.3单片机初始化模块设计

采集终端上电之后，先关闭中断，使用SystemClock-Init()函数切换到外部16MHz时钟，此系统时钟初始化函数如下：

随后初始化I/()、EEPROM和定时器，允许终端，并初始化串口1和外部看门狗，随后初始化串口2,3使用的定时器，并先后对串口2,3的I/()口进行初始化。之后对内部EEPROM进行初始化，读取配置参数、下行采集命令，初始化实时时钟和NB模块，先后测量两次电池电压。开启采集上传，开启MBUS电源并点亮运行指示灯，喂狗，若显示年月日不合法，则初始化为指D值。

3.4串口1接收处理模块设计

先判断NB是否登录成功，若未登录成功，则退出函数；若串口1接收未完成，同样退出函数。若不符合面的两种情况，接收完成标志置零，判断串口1接收到的内容，若为“NSONMI：”命令（此命令的功能为通知消息已经被个socket接收并等待被读取），则返回1，反之返回0。当返回1时，等待串口1传输完成，复位后发送“AT+NSORF=0.256”命令（此命令表示从socket上接收数据），对收到数据判断合法性进行判断，若合法，返回有效数据指针，不合法返回0。判断数据长度的代码如下：

3.5远程抄表管理平台设计

根据系统设计需求和技术研究，远程抄表管理平台设计实现下面功能。

(1)抄表功能

采集、存储仪表数据、状态以及参数等，例如瞬时流量、累计流量、温度、累计工作时间、时间、管道装反标志、流量错误标志、欠压标志、温度错误标志、瞬时流量小数点标志、管道口径等，实现对下层仪表监控。

(2)数据读取

读取上次抄表热量、热功率、当热量、瞬时流量、累计流量、供水温度、回水温度、累计工作时间和实时时间，表地址还包括状态参数，例如铂电阻断线标志、铂电阻短路标志、温差标志、流量标志、欠压标志、管道装反标志等。

(3)基本参数设置

设置个13位的条形码作为识别数据采集终端的标识，管理平台对其进行设置和读取，另外读取IP地址，设置端口，读取备用IP，对备用端口进行设置。

(4)数据采集终端参数读取

读取数据采集终端的程序版本号、电池电压等基本参数，读取下行采集命令。

(5)数据采集终端参数设置

配置串口、数据采集终端工作模式、静默参数以及其他。在串口配置中，对可读取采集数据波特率进行读取，对奇偶校验位进行设置；采集终端工作模式分为实时模式和休眠模式；配置静默参数时，可以选择对标志位进行启用和禁用，设置静默时间段的起始和终止时间，同时对采集数据的时间间隔、心跳包时间间隔、上传数据时间间隔进行读取和修改，对表类型、水表地址进行读取和设置，并可对下行采集命令进行配置。图8与图9为远程抄表管理平台的部分截图。

4 安科瑞远程预付费抄表系统的介绍及应用

4.1系统简介

系统为B/S架构，主要包括端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。

4.2系统功能

AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。
  本系统适用于些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公网传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。

远程集中抄表：抄表信息通过网关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表。

远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数防止作B，方便快捷。

能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹体式综合管理报表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。

在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众H实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用况。 

短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。

远程控制:可对任意块电表执行远程拉闸或保电等系列远程控制操作，方便管理。

4.3设备选型

 5 结语

  本文设计的基于窄带物联网的远程抄表系统采用窄带物联网技术实现仪表与采集终端之间的通信，并且通过采集终端与上位机之间的通信实现对仪表数据的管理、存储、分析和应用。通过科学的抄表管理平台对收集的数据进行适当处理和分析。采集终端通过NB通信将仪表数据传输到上层，通过上层管理系统可以对数据采集终端进行配置和管理，对下层仪表数据进行管理和监控等。远程抄表系统支持抄表、设置和读取采集终端数据的功能，并支持多种通信方式，配有MBUS或RS485下行接口，经测试和计算，待机功耗小于20μＡ，寿命长达10年，为现有远程抄表系统的升级改造提供了参考方案。

参考文献

[1] 家发展改革委办公厅．关于组织开展2014-2016年家物联网重大应用示范工程区域试点工作的通知.

[2] 韩进，张玺.窄带物联网的远程无线抄表系统设计.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.