基于NB-IoT的远程抄表系统的硬件设计

唐明军

（扬州工业职业技术学院信息工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引 言

随着物联网技术的飞速发展，“智慧地球”的理念已深入人心，以物联网技术为核心的各种应用不断刷新着人们的眼球，然而对于和人民生活息息相关的水电煤公共服务抄表系统却仍处于较为落后的状态，所以讨论利用物联网技术改造现代水电煤公共服务抄表系统的方法。NB-IoT（窄带物联网）技术作为3GPP R13引入的一个新特性，具备良好的室内覆盖性能、支持大规模低数据吞吐量、超低功耗及低成本四大优势[1]。采用NBIoT无线通信模块进行智能电表、智能水表及智能气表三表合一的采集，能够有效解决目前水电煤终端数据的人力采集和数据格式不统一等问题，同时还能够有效融合地上地下通信、统一多表通信协议、提高数据传输速率及扩大系统通信容量，能够简化系统运行所需的中继设备，降低运维成本，减少安装空间，为智慧水务、智慧燃气及智慧供电提供远传抄表计量数据，进而更好地为智慧城市建设提供服务[2]。

因此设计一种基于NB-IoT技术的多表合一的远程抄表智能监控系统具有一定的现实意义和经济价值。

1 系统方案设计

目前，短距离无线通信技术在低功率、广域覆盖为特征的物联网领域已经得到了广泛应用，而窄带物联网（NB-IoT）技术在短距离无线通信技术中具有较强的优势[3]。窄带物联网比其他短距离无线通信（如WiFi）性能更加优越，尤其是在大覆盖、安全性及可靠性方面更为突出。

本系统方案主要基于NB-IoT技术对居民生活水电煤信息采集终端的信息采集、信息传输以及状态监控，其系统构成主要包括智能计费表、采集终端、NB-IoT基站及服务器。

其中，智能表及与其连接的采集设备负责对用户的水电煤信息进行采集并计量，计量信息通过Zigbee网络以极低的功耗发送给NB-IoT基站进行数据汇总，NB-IoT基站连接服务器中心，将采集设备采集的智能表参数通过无线蜂窝网上传至服务器中心。

2 采集终端方案设计

采集终端是本系统的数据源头，众所周知，居民生活所必须的水电煤用量每时每刻都在更新，海量的用户水电煤计量信息从智能表被采集终端进行周期性采样，并对数据进行打包，按照一定的发送周期进行数据的上传[4]。采集终端设备通过无线方式对智能计量表进行周期性数据采集，并通过窄带物联网技术以无线方式上传至基站，因此采集终端本质上是一个相对独立的电子系统，具有超低功耗、睡眠唤醒工作模式智能切换等特点。

该硬件方案主要基于STM32嵌入式处理器搭载NB-IoT无线通信模块来构建，主要包含数据采集接口模块、光耦隔离模块、按键模块、显示模块、NB-IoT通信模块及电源模块。

STM32L433是意法半导体公司在2016年度新发布的基于“ARMCortex-M4”的低功耗MCU“STM32L4系列”ARM处理器，CPU内核的最大工作频率为80 MHz，在本项目中主要负责对数据采集、存储以及显示等功能的调度和处理。

数据采集接口模块主要用于周期性获取智能表的数据参数，采集模块主要包含时钟模块、存储器单元、显示电路及按键电路。采集装置还包含AD/DC转换电路，数据采集接口通过AD/DC转换模块将大电流模拟信号进行采样和交直流转换，并通过光耦进行信号的隔离，以有效避免在电磁环境复杂的工业现场模拟信号对数字系统的干扰，有效提高了系统的可靠性[5]。

NB-IoT通信模块采用上海移远通信技术有限公司所生产NB-IoT无线通信模块BC95。它是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块，采用了省电技术，在低功耗模式下（PSW）电流消耗低至5 μA，尺寸仅为23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，同时有效帮助客户减小产品尺寸，并优化产品成本。BC95无线通信模块主要将采集到的智能表数据按照NB-IoT无线数据协议打包并发送至NB-IoT基站，BC95无线通信模块电路原理如图6所示。BC95模块集成了丰富的接口资源，包括简洁方便的射频接口、UART串口，可以和STM32L433进行方便的数据通信[6]。需注意，NBIoT设备需要运营商网络支持，所以硬件上必须有能和SIM卡进行数据交互的接口，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST及USIM_VDD等信号则是与SIM卡数据读写相关的信号。

电源模块用于提供整个硬件系统所需电能。电源模块主要由调压模块、恒流模块、升压模块、整流模块及微处理器模块组成。其中，调压模块用于调节三相电源的三相电压；恒流模块用于将三相电源的三相电压转换成三相电流源；升压模块用于将恒流模块转换的三相电流源进行升压；整流模块用于对升压后的电流源进行整流；微处理器模块用于根据整流模块输出的二次电流的大小调节所述调压模块。

采集终端硬件系统是一个较为复杂的模拟数字混合系统，在实际调试过程中遇到了一些问题，通过电路飞线及增加一些元器件得以解决。

3 NB-IoT基站及服务器中心介绍

本项目中NB-IoT基站采用华为公司基于3GPP R13 Cat－NB 1标准开发的基站系统。该设备已经在2016年10月经过华为公司和罗德与施瓦茨公司共同完成基本测试成功验证了空中接口技术和射频性能。该基站系统采用eRAN 12.0无线版本及符合3GPP TS 36.141 标准的R＆S解决方案，在系统联调过程中与采集数据模块通信性能良好，同时也验证了硬件设备在NB-IoT无线电通信协议规范下的通信可靠性和通信质量。远程服务器中心主要是用作数据的云存储和远程管理，在本项目中主要由移动运营商提供服务器运营和维护服务。

4 结 论

本文探讨了一种基于NB-IoT无线通信模块的远程抄表智能监控系统的硬件部分。物联网时代，利用关键技术NB-IoT可以实现对人们生活息息相关的水电煤计量系统的智能化管理，降低了人力资源成本。本文对远程抄表智能监控系统的各组成部分进行了原理解释，详细介绍了嵌入式STM32L433及BC95射频系统的电路结构，特别是对采集部分电路进行了重点介绍。本系统结合样机调试测试的数据及错误进行了硬件电路的修改，并在下一版样机研制过程中进行完善。