淺談?wù)瓗锫?lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要：給出了種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用ＭＢＵＳ通信對(duì)底層儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集終端使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上層遠(yuǎn)程無線抄表管理系統(tǒng)，抄表管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了儀表數(shù)據(jù)集抄、讀取歷史數(shù)據(jù)功能，并可對(duì)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行設(shè)置和參數(shù)讀取，支持多種通信方式，在傳統(tǒng)儀表基礎(chǔ)上升級(jí)安裝方便，功耗低，壽命長，成本低。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)；無線抄表；數(shù)據(jù)采集終端；

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到了關(guān)注和支持，我開展了不同的示范和試點(diǎn)項(xiàng)目，智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生以及工業(yè)控制等都取得很大進(jìn)步。計(jì)量領(lǐng)域是居民日常生活的重要部分，現(xiàn)在抄表系統(tǒng)多采用無線技術(shù)對(duì)儀表數(shù)據(jù)、參數(shù)等進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和上傳等，對(duì)其進(jìn)行綜合處理和應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)從傳輸距離上分為短距離通信技術(shù)和廣域網(wǎng)通信技術(shù)兩類，者包括ZigBee,WiFi、藍(lán)牙等，應(yīng)用于室內(nèi)場景，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率低、能耗大；后者又被稱為低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Aeea Network,LPWAN），目主流的兩大LPWAN技術(shù)有NB-IOT和LoRa。其他應(yīng)用在抄表系統(tǒng)中的通信技術(shù)中，GPRS技術(shù)功耗高、覆蓋范圍不足，LoRa部署不方便、成本高、無法提供QOS信息、兼容性不強(qiáng)。

NB-IOT是種得到際認(rèn)可的新興技術(shù)，并得到企業(yè)的關(guān)注和家的支持，其為物聯(lián)網(wǎng)中的海量設(shè)備提供連接，基于運(yùn)營商設(shè)施建設(shè)，簡化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過低功耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備超長待機(jī)，具有強(qiáng)連接、低功耗、深覆蓋、低成本、高可靠性等特點(diǎn)，可滿足對(duì)低功耗／長待機(jī)、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務(wù)，更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)場景，應(yīng)用于抄表系統(tǒng)中大有裨益。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1需求分析

本系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低功耗、長壽命、低成本的設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)總體分為下位機(jī)、數(shù)據(jù)采集終端以及上位機(jī)三部分，下位機(jī)為水表、熱量表或者流量計(jì)等儀表，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集終端起到橋梁作用，采用ＮＢ通信技術(shù)采集下層儀表數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)部分。由于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用場景的特殊性，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行充電或者維護(hù)的便捷性不大，在設(shè)計(jì)過程中需要考慮供電、安裝、成本這三個(gè)方面，因此數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證體積小巧和安裝便捷，并將改造傳統(tǒng)儀表的成本考慮到其中，同時(shí)采用電池供電，在工作模式上應(yīng)多采用休眠模式，并添加靜默時(shí)間設(shè)置以保證系統(tǒng)的低功耗，并進(jìn)步保證系統(tǒng)低成本。

上位機(jī)為遠(yuǎn)程抄表管理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表數(shù)據(jù)、采集終端參數(shù)讀取，并可對(duì)采集終端的命令、參數(shù)以及模式等進(jìn)行配置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)、儀表狀態(tài)參數(shù)以及儀表地址等進(jìn)行讀取。

1.2總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了種以STM8L052C6T6為微控制器、基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)，完成計(jì)量領(lǐng)域?qū)€(gè)低成本、科學(xué)和有效的抄表系統(tǒng)的訴求。該設(shè)計(jì)采用MBUS通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端與儀表之間的數(shù)據(jù)傳輸，其中RS485通信只作為備選通信方式，默認(rèn)使用MBUS通信方式。MBUS連接便利、可靠性高、成本低，且MBUS為兩線制，直接與儀表相連即可，若將傳統(tǒng)儀表進(jìn)行升級(jí)，并不需要將原有裝置廢棄或者改造，可直接在原有傳統(tǒng)儀表基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)采集終端與儀表按照要求相連即可實(shí)現(xiàn)升級(jí)，節(jié)約成本，升級(jí)方便。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

每個(gè)數(shù)據(jù)采集終端配置可以作為識(shí)別的編碼，采用內(nèi)置電池，容量為8500mAh，上行接口通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)的UDP方式進(jìn)行通信，調(diào)試接口為紅外通信方式，下行接口為MBUS或者RS485，滿足體積小巧的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)采集終端外形尺寸為85mm*70mm*135mm，考慮到物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，防水等級(jí)達(dá)到IP68，工作溫度范圍為-25～+60攝氏度。

經(jīng)設(shè)計(jì)、測試和計(jì)算，數(shù)據(jù)采集終端待機(jī)功耗小于20μＡ，查閱電池?cái)?shù)據(jù)手冊可知，200μＡ放電時(shí)電池容量為7700mAh，按電池利用率75％，天上傳3次數(shù)據(jù)，測試每次從開始采集數(shù)據(jù)到上傳結(jié)束耗時(shí)分鐘，使用MBUS方式時(shí)，使用壽命為5.7年，使用RS485方式時(shí)，使用壽命為10.8年。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要集中在數(shù)據(jù)采集終端。硬件部分大致分為8個(gè)模塊：主控模塊、存儲(chǔ)模塊、復(fù)位模塊、紅外通信模塊、紅外配置模塊、RS485通信模塊、MBUS通信模塊和NB-IOT模塊。具體實(shí)際硬件電路包含：STM8L052C6T6單片機(jī)以及外圍電路、RS485通信電路、FM24CL64存儲(chǔ)電路、電源電路、ＮＢ通信模塊以及外圍電路、MBUS電路、A/D控制輸出電路以及紅外部分電路。單片機(jī)采用STM8L052C6T6，其為意法半導(dǎo)體（ＳＴ）公司生產(chǎn)的種集成電路芯片，選用FM24CL64芯片作為本系統(tǒng)的存儲(chǔ)芯片，NB模塊采用Lierda（利爾達(dá)）公司NB-05-01模塊，該模塊與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備使用NB-IOT廣播協(xié)議，該廣播協(xié)議只針對(duì)靜態(tài)應(yīng)用場景，且模塊上有個(gè)US1M接口的監(jiān)控電路。系統(tǒng)硬件框架如圖２所示。

圖2系統(tǒng)硬件框架

2.2 NB模塊電路設(shè)計(jì)

NB-IOT模組類似于3G/4G通信模組，是將設(shè)備端數(shù)據(jù)打包發(fā)送給指D平臺(tái)硬件模組。NB模塊采用NB05-01模塊，屬于NBXX-01中的種。NB模塊原理圖如圖３所示。

圖3 NB模塊原理圖

2.3 MBUS電源電路設(shè)計(jì)

MBUS電源電路如圖4所示，采用SX1308升壓芯片，將3.6V升壓至24V。SX1308是碩芯科技推出的超小封裝、效率高、直流升壓穩(wěn)壓電路，輸入電壓可由2V到24V，升壓可至28V可調(diào)，且內(nèi)部集成低RDS內(nèi)阻100mΩ金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的（MOSFFET），可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2A大電流。

2.4 NB電源電路設(shè)計(jì)

NB模塊供電電源采用SP6201－3.3進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，SP6201是Sipex（西伯斯）公司生產(chǎn)的款微功耗200mACMOSLDO穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器，在本課題中采用SP6201－3.3，固定輸出電壓為3.3V，該芯片的輸出電壓精度高達(dá)2％，具有好的負(fù)載和線性調(diào)節(jié)，并具有電流和發(fā)熱限制，EN引腳是邏輯控制的電子使能。電源電路和電源濾波電路如圖5和圖6所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本課題數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)采用IAR Embcdded Work-bench IDE集成開發(fā)環(huán)境，其支持大量微處理器和微控制器，大大節(jié)省工作空間和時(shí)間，提高了效率。該軟件相較其他編譯軟件，界面美觀簡潔，操作方便快捷，為用戶提供好的開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)的大致開發(fā)流程為：先，完成代碼編寫和錄入，然后編輯程序代碼，進(jìn)行調(diào)試，之后生成hex文件，末尾將生成的hex文件下載到開發(fā)系統(tǒng)上，進(jìn)行程序下載。而遠(yuǎn)程抄表管理系統(tǒng)采用Java語言設(shè)計(jì),主要實(shí)現(xiàn)采集儀表數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行配置和管理，并對(duì)下層儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、監(jiān)控等。

3.1功能分析

通過以上研究和分析，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)集抄儀表數(shù)據(jù)，采集終端通過ＮＢ通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈?，通過上層管理平臺(tái)可以對(duì)采集終端進(jìn)行配置和管理、對(duì)下層儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、監(jiān)控等。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)適用于流量計(jì)、熱量表、水表等儀表，可設(shè)置靜默時(shí)間，在靜默時(shí)間內(nèi)每天在零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行次下行采集和上傳，更好地滿足低功耗需求。

3.2采集終端主程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端上電后，行系統(tǒng)初始化，之后采用while確保程序持續(xù)進(jìn)行。喂狗后對(duì)NB工作模式等進(jìn)行定義。等待串口1接收完數(shù)據(jù)且NB登錄成功之后，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，上傳至上位機(jī)，之后對(duì)串口2.3接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否進(jìn)入休眠模式。程序運(yùn)行次的過程如圖7所示。

3.3單片機(jī)初始化模塊設(shè)計(jì)

采集終端上電之后，先關(guān)閉中斷，使用SystemClock-Init()函數(shù)切換到外部16MHz時(shí)鐘，此系統(tǒng)時(shí)鐘初始化函數(shù)如下：

隨后初始化I/()、EEPROM和定時(shí)器，允許終端，并初始化串口1和外部看門狗，隨后初始化串口2,3使用的定時(shí)器，并先后對(duì)串口2,3的I/()口進(jìn)行初始化。之后對(duì)內(nèi)部EEPROM進(jìn)行初始化，讀取配置參數(shù)、下行采集命令，初始化實(shí)時(shí)時(shí)鐘和NB模塊，先后測量兩次電池電壓。開啟采集上傳，開啟MBUS電源并點(diǎn)亮運(yùn)行指示燈，喂狗，若顯示年月日不合法，則初始化為指D值。

3.4串口1接收處理模塊設(shè)計(jì)

先判斷NB是否登錄成功，若未登錄成功，則退出函數(shù)；若串口1接收未完成，同樣退出函數(shù)。若不符合面的兩種情況，接收完成標(biāo)志置零，判斷串口1接收到的內(nèi)容，若為“NSONMI：”命令（此命令的功能為通知消息已經(jīng)被個(gè)socket接收并等待被讀?。?，則返回1，反之返回0。當(dāng)返回1時(shí)，等待串口1傳輸完成，復(fù)位后發(fā)送“AT+NSORF=0.256”命令（此命令表示從socket上接收數(shù)據(jù)），對(duì)收到數(shù)據(jù)判斷合法性進(jìn)行判斷，若合法，返回有效數(shù)據(jù)指針，不合法返回0。判斷數(shù)據(jù)長度的代碼如下：

3.5遠(yuǎn)程抄表管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求和技術(shù)研究，遠(yuǎn)程抄表管理平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)下面功能。

(1)抄表功能

采集、存儲(chǔ)儀表數(shù)據(jù)、狀態(tài)以及參數(shù)等，例如瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、溫度、累計(jì)工作時(shí)間、時(shí)間、管道裝反標(biāo)志、流量錯(cuò)誤標(biāo)志、欠壓標(biāo)志、溫度錯(cuò)誤標(biāo)志、瞬時(shí)流量小數(shù)點(diǎn)標(biāo)志、管道口徑等，實(shí)現(xiàn)對(duì)下層儀表監(jiān)控。

(2)數(shù)據(jù)讀取

讀取上次抄表熱量、熱功率、當(dāng)熱量、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、供水溫度、回水溫度、累計(jì)工作時(shí)間和實(shí)時(shí)時(shí)間，表地址還包括狀態(tài)參數(shù)，例如鉑電阻斷線標(biāo)志、鉑電阻短路標(biāo)志、溫差標(biāo)志、流量標(biāo)志、欠壓標(biāo)志、管道裝反標(biāo)志等。

(3)基本參數(shù)設(shè)置

設(shè)置個(gè)13位的條形碼作為識(shí)別數(shù)據(jù)采集終端的標(biāo)識(shí)，管理平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置和讀取，另外讀取IP地址，設(shè)置端口，讀取備用IP，對(duì)備用端口進(jìn)行設(shè)置。

(4)數(shù)據(jù)采集終端參數(shù)讀取

讀取數(shù)據(jù)采集終端的程序版本號(hào)、電池電壓等基本參數(shù)，讀取下行采集命令。

(5)數(shù)據(jù)采集終端參數(shù)設(shè)置

配置串口、數(shù)據(jù)采集終端工作模式、靜默參數(shù)以及其他。在串口配置中，對(duì)可讀取采集數(shù)據(jù)波特率進(jìn)行讀取，對(duì)奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行設(shè)置；采集終端工作模式分為實(shí)時(shí)模式和休眠模式；配置靜默參數(shù)時(shí)，可以選擇對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行啟用和禁用，設(shè)置靜默時(shí)間段的起始和終止時(shí)間，同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔、心跳包時(shí)間間隔、上傳數(shù)據(jù)時(shí)間間隔進(jìn)行讀取和修改，對(duì)表類型、水表地址進(jìn)行讀取和設(shè)置，并可對(duì)下行采集命令進(jìn)行配置。圖8與圖9為遠(yuǎn)程抄表管理平臺(tái)的部分截圖。

4 安科瑞遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)抄表系統(tǒng)的介紹及應(yīng)用

4.1系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括端管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。

4.2系統(tǒng)功能

AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。
  本系統(tǒng)適用于些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表。

遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)防止作B，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾H實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用況。 

短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶。

遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。

4.3設(shè)備選型

 5 結(jié)語

  本文設(shè)計(jì)的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀表與采集終端之間的通信，并且通過采集終端與上位機(jī)之間的通信實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表數(shù)據(jù)的管理、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用。通過科學(xué)的抄表管理平臺(tái)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理和分析。采集終端通過NB通信將儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈?，通過上層管理系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行配置和管理，對(duì)下層儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和監(jiān)控等。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)支持抄表、設(shè)置和讀取采集終端數(shù)據(jù)的功能，并支持多種通信方式，配有MBUS或RS485下行接口，經(jīng)測試和計(jì)算，待機(jī)功耗小于20μＡ，壽命長達(dá)10年，為現(xiàn)有遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的升級(jí)改造提供了參考方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 家發(fā)展改革委辦公廳．關(guān)于組織開展2014-2016年家物聯(lián)網(wǎng)重大應(yīng)用示范工程區(qū)域試點(diǎn)工作的通知.

[2] 韓進(jìn)，張璽.窄帶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì).

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06版.