NB-IoT物联网燃气表研究设计探讨

1、Word参考资料，下载后可编辑NB-IoT物联网燃气表研究设计探讨 摘针：针对物联网技术的开展现状和智能燃气表对低功耗与强连接的需求，提出了一种基于NB-IoT技术的物联网智能燃气表的设计方案。该方案采纳瑞萨R7F0C004芯片作为MCU采集燃气计量数据，以N700-58为通信模组实现网络连接，业务数据经由CoAP协议封装后发送到电信AEP平台，再由AEP平台推送到燃气表业务管理平台系统实现数据通信。测试结果讲明，所设计的燃气表终端无论是在连网收发数据，还是在低能耗方面都到达了预期的设计目标，能够很好地满足应用需求。 关键词：NB-IoT；物联网；燃气表；数据传输；低功耗 近几年，随着物联网技

2、术的快速开展和我国智慧城市建设的推动，5G、NB-IoT（NarrowBandInternetofThings）、GPRS、LoRa、WiFi和蓝牙等技术得到了广泛应用。其中，NB-IoT作为一种窄带物联网的新兴技术，具有高覆盖、强连接、低速率、低本钱、低功耗等优势，并且使用授权频道，由电信运营商负责组网运营，网络信号稳定、抗干扰能力强、数据传输安全可靠，逐渐成为了物联网通信技术的首选1-4。特别是在燃气表和水表行业，终端主要是采纳电池供电，更换一次干电池需要能工作12个月以上，假如采纳锂电池供电，则要求一颗容量为8.5Ah的锂电池能工作10年（与燃气表的使用年限相同），并且，一般都还要求每天

3、至少连网通信一次。正是如此苛刻的能耗限制，使得NB-IoT技术在水、气表行业应用中脱颖而出。本文介绍了一种基于NB-IoT通信技术的物联网智能燃气表系统设计。 1系统方案 本文设计的物联网燃气表的整个应用系统方案主要由燃气表终端、NB-IoT网络、中国电信AEP平台和燃气表业务管理平台4局部组成5。系统架构如图1所示。中国电信AEP平台是中国电信倾力打造的智能终端汇集、应用开发运行服务和轻量级应用服务的物联网平台。平台具有终端接入、终端管理、消息推送、规则引擎和数据存储等多种能力，同时提供了端到端的安全认证和安全传输双重保障机制，方便客户对接智能终端，快速集成应用。燃气表终端利用NB通信模组与

4、NB-IoT网络建立连接，使用CoAP协议经NB-IoT网络将数据发送到AEP平台，再由AEP平台使用HTTPS协议将数据发送到燃气表业务管理平台。方案中的NB-IoT网络和AEP平台为公共资源，由运营商提供，燃气表终端和业务管理平台需要自主开发，本文主要研究燃气表终端。 2硬件系统设计 2.1系统硬件结构 物联网燃气表终端的主要功能是采集计量燃气的使用量，上传气量数据及表具内状态数据到业务管理平台系统，同时接受平台系统下发的查询、校时、阀门操纵等指令，并执行相应的操作，完成燃气计量收费及管控的功能需求。本系统以高性价比和超低能耗完美兼得的单片机瑞萨R7F0C004作为主控MCU，其内部高速振

5、荡器系统时钟可高达24MHz，片内具有128KB代码Flash、2KB数据Flash和8KBRAM，数据Flash可用于存储燃气表的运行数据，代替外部EEPROM存储器。系统的主要功能模块包括NB通信模块、红外近程通信模块、蜂鸣器模块、实时时钟模块、LCD显示模块、电源及电压检测模块、阀门驱动模块、膜式燃气表、脉冲计量采集模块等6-7。系统硬件结构如图2所示。 2.2NB通信模组电路设计 物联网燃气表通过NB通信模组连接上NB-IoT网络，再与业务管理平台系统交换数据，完成燃气计费及表具管控等业务。本设计选用深圳广和通公司的N700-58通信模组，N700-58是一款高性能、低功耗的窄带物联网

6、无线通信模组，符合3GPPR13和R14标准，支持Band5和Band8频段，内嵌TCP、UDP、CoAP、MQTT等多种协议栈，方便终端应用开发。MCU使用串口与NB通信模组进行连接通信，由于NB通信模组的端口电压是1.8V，而MCU的端口电压是3.3V，故需要使用三极管做一个电平转换电路才能正常通信。NB通信模组电路如图3所示。 2.3阀门驱动电路设计 两线直流电机阀是目前智能燃气表中使用最为广泛的一种阀门，价格廉价且有用可靠。开（关）阀门的始动电流一般在150300mA之间，正常行程的电流在20mA左右，而开（关）到位后的堵转电流却与始动电流一样大，假如阀门进入堵转阶段后不及时停止转动，

7、持续的大电流消耗对整个系统的供电是一个挑战，很容易造成系统复位。本设计采纳AT9110A芯片驱动阀门，芯片的工作电压范围为2.5V18V，连续电流输出能力为800mA，完全满足驱动阀门的需求。在电路中再加上一路AD检测，可检测到正常行程阶段与堵转阶段的电压值变化，从而推断出阀门开（关）是否已到位，及时操纵阀门停止转动。阀门驱动电路如图4所示。MCU输出高电平到ValveC1端口，同时输出低电平到ValveC2端口，或输出电平相反，实现电机马达M1的正反转，从而实现阀门的打开或关闭。在阀门执行动作的过程中，每间隔10ms通过ValveCHK端口检测一次电压，以推断阀门是否已执行到位，进入了堵转阶

8、段。 2.4红外通信电路设计 在物联网燃气表的生产和测试阶段，需要有一种简单方便的方法对燃气表的运行参数进行配置，另外，对于已经安装使用的燃气表，假如发生故障不能连网了，上门维修的人员也需要有一种方法在不拆表的情况下，就能读取表具内的信息，分析出故障原因并修复。居于这两方面的需求，本钱低廉的红外近程通信技术成为了首选。图5是红外通信NetworkandCommunication誗网络与通信的电路，图中IR_TX和IR_RX连接MCU的串口引足，当需要进行红外通信时，连接IR_VCTR的引足置低电平，给红外通信电路供电并工作。 2.5计量采集电路设计 把两个可配置为中断模式的I/O引足作为计量数

9、据采集端口，端口电平外部上拉到VDD（3.3V）。计量干簧管S1和S2安装在膜式燃气表计数器末位数轮（装有一个磁钢）的上下两端，当使用燃气时，末位数轮转过一圈，磁钢把S1和S2先后各吸合一次，拉低采集端口的电平，从而产生中断，MCU收到两路中断，讲明燃气又消费了0.01m3。计量采集电路如图6所示。 3软件设计 3.1软件结构 物联网燃气表终端的操纵系统软件，按层次结构可划分为主程序、中断服务程序和功能模块子程序三种组成局部6-7。中断操作包括按键中断、干簧管计量中断和定时器中断等，中断服务程序仅做一些简单的条件推断和标志中断事件的发生。功能模块子程序主要有定时器操作模块、燃气计量模块、蜂鸣器

10、提醒模块、数据存储模块、LCD显示模块、电机阀控模块、红外近程通信模块、NB网络通信模块、电压检测和掉电处理模块等。软件采纳C语言进行开发，开发平台使用RenesasCS+forCC集成开发环境。 3.2数据报文定义 数据传输的可靠性和准确性需要合理的通信协议。其中，协议的数据报文局部，本文依据应用业务需要，采纳自定义方式对数据报文进行定义。报文帧由帧起始符、数据长度、指令ID、信道标志、指令数据域、检验码和帧结束符组成，具体的报文定义如表1所示。通信传输时，还需要将报文帧包经由CoAP协议打包后再传输8。报文帧中的指令ID字段，作为一次指令传输的唯一标识，由指令发起方生成，应答方则是直接返回

11、相同值，讲明该数据包是对某一指令的应答帧。指令数据域则是按不同的业务指令定义其数据格式，指令数据结构定义如表2所示。 3.3网络通信及低功耗设计 NB网络通信的低功耗特性依靠于其工作机制的两种低功耗模式：PSM省电模式和eDRX扩展非连续接收模式9-11。NB通信模组的耗电流，在PSM模式下最低可低至5A。不过，燃气表在正常使用的情况下，每天仅主动连网一次与业务管理平台服务器交换数据，不需要实时在线。因此，燃气表的NB通信模组不需要进入低功耗模式，每次需要通信时给NB通信模组供电，通信结束后断电，这种方法比采纳低功耗模式更加省电。要进行通信，首先初始化MCU与NB模组连接的串口，给NB模组供电

12、，再拉低模组的POWER_ON引足至少800ms使模组开机。之后，MCU通过AT命令集与NB模组进行交互与操纵12，先后完成SIM卡身份认证、网络附着、申请IP地址、连接电信AEP平台、发送接收数据等操作。表3是通信过程中使用的主要AT命令集。 4测试 4.1NB通信测试 本文使用10台NB物联网燃气表样机，结合电信AEP平台和燃气表业务管理平台系统，对燃气表连接NB-IoT网络、上行发送数据到服务器和接收服务器下发数据进行测试13-14。把燃气表配置为定时连接模式，每10min主动连网一次，假如连网失败，则在3min后再重连一次，前5台样机使用全新的电池，后5台样机使用旧电池，4节旧电池的电

13、压在5.45.7V之间，测试结果如表4所示。由表4可以看出，只要连网成功（包括重连成功），接下来的发送和接收数据都很顺利。而连网失败的，则集中在使用旧电池供电的5台样机，可能是电池的电压已接近限制使用电压值，无法保障短时间内屡次连网的电能需求。 4.2能耗测试与分析 燃气表终端采纳4节5号碱性电池供电，且更换一次电池需要可用12个月以上，产品才能被市场接受。所以，低功耗设计是产品的一大重点。以下是各主要耗电局部的实测数据和分析：（1）静态电流。燃气表的绝大局部时间都处于休眠状态，实测得其静态电流为10A。（2）通信电流。每天连网通信一次，每次通信在30s以内完成，使用一台安捷伦66319D程控

14、电源测试通信过程，测得其平均工作电流为85mA，把该工作电流再均摊到24h，得出平均通信电流为29.51A。（3）脉冲计数电流。假如每天使用燃气5m3，计数轮转500圈，共产生1000个脉冲。MCU处理每一脉冲大约需要10ms，工作电流为3.8mA。由此可计算得出平均计数电流为0.44A。（4）阀控电流。假如每月阀门开或关共6次（正常运行的情况下为0次），每次工作3s，工作电流为50mA。由此可计算得出平均阀控电流为0.34A。（5）其他耗电流。主要有大电容的漏电流、蜂鸣器和LCD等的耗电，平均耗电在3A左右。由此可得燃气表终端的平均耗电流为43.29A。为取得干电池的容量值，针对市面上常见的3种5号碱性电池做了放电测试，电压从1.5V降至1.275V，其放出电量根本都在1000mAh左右。