基于窄带物联网RTU管网终端的设计与应用*

石英春, 陈春阳, 罗 屿

(1.中南大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410083;2.湖南信息职业技术学院 电子工程学院,湖南 长沙 410200)

0 引 言

随着物联网技术的飞速发展和智慧水务建设的迫切需求,水司管网的监测设备已经逐渐取代了机械式计量和显示,应用到监控系统中。常用的水管网监测设备主要有压力计、流量计、水质监测仪等设备,它们主要靠人工隔一段时间去抄读,不仅工作量大,而且抄读的数据不及时,无法达到对管网问题及早发现和处理的目的。而目前采用较多的智能化管网监控设备,利用数据集中器抄读对应的RS—485或M-Bus设备数据信息,通过以太网或通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)方式传输到主站系统,这种传输方式需要集中布线,覆盖范围小,增加了建设和维护成本,窄带通信技术的远程终端设备(remote terminal unit,RTU)管网终端技术,相比现有以太网或GPRS通信技术,具有大容量、广覆盖、低成本、低功耗等特点,能够满足水司管理的需要,成为管网智能化发展的主要趋势[1,2]。

本文提出的基于窄带物联网RTU管网终端,通过采集模块采集管网监测设备的数据,它兼容了RS—485和M-Bus两种物理通信接口,使通用性更强,并采用了通道选择方式,降低微处理器的硬件端口资源;采用支持全网通的窄带物联网(narrow band Internet of things,NB-IoT)通信方式,满足客户的个性化需求。将采集的管网监测数据及时通过基站传输到水司部门后台服务中心,有利于管网设备数据的维护和管理,为后续的漏水分析提供依据,降低水资源的浪费,提高了水司的管理水平。

1 系统总体设计

自来水管网设备用来对供水主管道的水压力、瞬时流量、累计流量、水质pH值、状态信息进行数据采集、保存、显示。这些设备一般都预留上行通信传输接口,包括M-Bus方式、RS—485方式,物联网RTU终端首先采集管网设备的相关信息,通过NB-IoT传输方式,连接到基站,传输到对应的云服务平台。本设计采用支持电信的通信模组,上传到天翼云平台,用户通过后台管理系统,调用天翼云平台的数据,采集到的信息通过前台界面显示。具体的整体框架结构如图1所示。

图1 系统整体

2 系统硬件设计

综合考虑硬件资源和功能需求,选用意法半导体的Cotex—M3为控制处理核心,功能模块包括下行采集模块设计、上行通信模块设计、电源模块设计、存储器模块设计等部分组成,首先通过下行采集模块RS—485总线或者M-Bus总线抄读管网设备数据,通过通道选择单元选择需要抄读的通道,输送到微处理器的串口1处;按键电路中,选用的磁敏按键及外围电路,输送到微处理器的GPIO口,用于在需要监测上传数据时使用;电源模块电路首先输入220 V交流电,通过开关电源进行整流、稳压,为系统提供电能;存储器电路通过SPI总线与微处理器的SPI接口相连;通信模块电路中首先通过通信电源控制电路将通信模块的电源打开,通过微处理器的串口0与上行通信模块进行数据交换,并读取物联网卡电路的卡号信息,通过天线与电信基站进行通信[3～5]。其系统硬件如图2所示。

图2 系统硬件

2.1 微处理器

本系统采用意法半导体生产的STM32系列芯片,具体型号为：STM32F205,ARM32位Cortex—M3 内核,最大工作频率120 MHz,最大1 MB的FLASH、128 kB的SRAM存储器,带有3个12位的微秒(μs)级的A/D转换器,4个USART接口和2个UART接口[6,7]。

2.2 下行采集模块

为了兼容管网设备的需求,设计了两种采集通道,RS—485总线电路采集带RS—485通信的监测设备,M—Bus总线电路采集M—Bus通信的监测设备[7～9],两者均采用Modbus通信协议。

2.2.1 RS—485总线电路

电路采用光耦D16,D18隔离的方式,将内部电路与外部电路进行光电隔离,增加了电路的抗干扰性能。通过RS—485总线方式,来抄读管网监测设备的数据,将数据信息保存在外部FLASH存储器中,根据客户设定的上传数据时间点,将数据通过上行通信模块上传到电信基站,传输到天翼云服务平台。如图3所示,电路中输出端串接的元件R100,R102,L15,L16,F2,F3,起过电流保护,器件V38,V43,V40,V42,D17,F2,F3等,防止用户误接交流电源损毁内部器件的作用。

图3 RS—485总线电路

2.2.2 M-Bus总线电路

M-Bus总线设计简单、布线方便、抗干扰能力强、总线无极性、可自供电、抗干扰能力强等优点,广泛应用在抄表系统中。它采用半双工异步通信,传输速率：300～9 600 Bps之间。电路采用光耦隔离的形式,降低了内外电路的干扰,保证了通信的可靠性。通过此电路,RTU终端可以抄读到管网监测设备的数据,将抄到的数据信息保存在外部FLASH存储器中,并根据客户设定的上传数据时间点,将数据通过上行通信模块上传到电信基站,传输到天翼云服务平台。

2.3 上行通信模块

上行通信模块采用NB-IoT通信方式,采集小数据量,对时延不敏感的管网监测设备信息,具体采用华为内核的移远模组BC28,它具有超紧凑、多频段、高性能、低功耗的特点,在设计上实现了全网通的频段,可选择使用电信、移动、联通的网络,其尺寸比前期的BC95更小,内部带模数转换功能[8,9]。工作电压VCC_NB 可使用范围3.1～4.2 V,典型值3.6 V。此模块由模组BC28、异步收发回路、物联网卡回路、电源管理、射频通信口组成,如图4所示,在异步收发回路中串接了1 kΩ 的电阻,用于串口匹配电阻;在物联网卡通信回路中,串接了22 Ω的电阻,保证读取物联网卡数据的稳定;电源管理,保证了低功耗时,整机电源消耗最小;射频通信口用于外接天线。

图4 物联网通信接口电路

2.4 闪存存储器模块

存储单元中采用大容量串行SPI 闪存(Flash)存储芯片,克服以往采用带电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)存储的缺陷(EEPROM存储容量小,价格高,写入时间长,写入慢的特点),可以存储12个月以上的采集信息,根据需要把存储的信息通过上行通信模块传送到主站系统,供相关人员查询备案,使抄读的数据及时备份。串在SPI总线回路中电阻实现SPI总线的阻抗匹配。通过微处理器控制存储芯片的电源,降低空闲时功耗。

3 系统软件设计

采用模块化程序设计方案,将功能模块单独封装,可读性更强、稳定性更高。包括下行采集模块(包括RS—485采集和M-Bus总线采集)、存储模块、上行通信模块等几大部分,采用自主开发的改进型实时操作系统,将编译好的程序,通过串行线调试(serial wire debug,SWD)四线制接口下载到微处理器中。程序过程：首先初始化微处理器的各管脚,对其相关寄存器进行配置。随后,系统与主站通过上行通信模块进行连接,进行系统校时,并接收主站下发的参数配置,如果连续连接3次都不成功,系统进入下行抄表等待阶段,当达到系统设置的时间时,对下行设备进行监测数据抄读,并保存数据到存储器中,等待是否到达上行发送时间间隔,当到达时,上传发送数据到主站,完成一个抄表循环,期间如果抄读时间间隔未到时,系统进入低功耗模式。具体流程图如5所示。

图5 RTU终端主流程

3.1 下行采集模块

下行采集模块主要负责RTU终端与管网监测设备之间的数据通信,支持M-Bus总线、RS—485总线两种方式,首先进行模块初始化,查询下行抄读时间是否达到抄表间隔,当到时根据表号选择传输通道类型,选取不同的通道,通过物理接口发下行帧,等待数据返回,解析返回的数据并存储到存储器中。具体处理流程如图6(a)所示。

3.2 上行通信模块

上行通信模块采用半双工设计,通过切换改变发送和接收模式,比全双工所需的元件,成本更低,能耗更省。首先通过微处理器控制NB模块上电,其进入初始化阶段,利用AT(attention)指令进行模块的一系列的判断,来决定模块是否进行准备就绪,包括查询国际移动设备识别码(IMEI)号、物联网卡号、模块信号强度等参数信息,根据BC28模块要求进行组帧,完成数据的上传和下发。当数据发送完成后,模块进入低功耗模式,为保证模块彻底断电,通过微处理器将模块电源断开,整个终端的功耗最低,目前低功耗模式下,整机功耗可降到8 μA以下,图6(b)为上行通信流程。

图6 下行/上行通信流程

4 测试与结果分析

基于窄带物联网RTU管网终端开发后,同时开发了对应的办公自动化(office automation,OA)管理系统。终端设备在省内湘西州水司进行运行测试,至今已经正常运行超10个月。该终端上行采用NB-IoT物联网通信方式,下行采用支持RS—485/M-Bus通信方式,采集管网的流量、压力数据信息。终端总体运行良好,数据采集准确、可靠,大大提高水司管网的智能化水平。图7为通过后台系统界面查看到现场流量数据情况。

图7 测试界面

5 结 论

通过实验验证及现场应用结果看出,采用窄带物联网RTU管网终端,有效解决了现场集中布线困难、覆盖范围小、维护成本高等问题。终端总体运行良好,数据采集准确,为水司用户提供丰富、及时、可靠的管网设备运行状态信息,满足水司管理需要,提高了管网监测设备的自动化水平。