基于NB-IoT 技术无线计费系统的设计研究

李中阳，黄君委，卢智颖，陈海棠

（浙江苍南仪表集团股份有限公司，温州325800）

为了解决环境污染问题，天然气行业在我国政府的支持下，实现了快速发展。那些传统的管理模式已经不适应或者约束了燃气行业的发展步伐。而近些年兴起的智能化、信息化、网络化管理模式被广大燃气公司所接受和欢迎。特别是我国推出了“互联网+”和“中国制造2025”战略计划之后，华为、中兴和三大运营商等公司冻结了窄带物联网（NBIoT）核心标准[1]。又因NB-IoT 的功耗低、覆盖范围广等特点，恰好解决了燃气行业的易燃易爆和工商业燃气表安装位置差、或犄角旮旯或地下室信号弱等问题。因此，NB-IoT 技术被迅速地应用于燃气行业的计量表具和计费管理系统。

1 系统整体设计

随着我国物联网的蓬勃发展，智能手机的快速普及，在城市燃气的智能化、信息化、网络化应用也迅速铺开。本文研究的课题就是一种典型的应用案例。其应用NB-IoT 技术作为网络数据传输的手段，将燃气表具与计费管理平台相连，实现了燃气表的智能控制和自动贸易结算，通过它可以实现燃气表的远程开户、无线集抄、空中充值、远程控阀和远程调价等功能。并结合当前发达的第三方支付体系，如微信、支付宝、网银和信用卡等，可以让燃气用户像购买其它普通商品一样，动动手指头就能用上天然气。其系统架构如图1 所示。

图1 无线计费管理系统框架结构图Fig.1 Framework structure diagram of wireless billing management system

本系统主要由物联网燃气表和计费管理系统组成。物联网燃气表主要包括NB-IoT 通信模块、电子计量模块、切断阀和基表；计费管理系统主要包括计费模块、采集模块、基础数据和第三方支付模块等。而本文侧重介绍物联网燃气表与计费管理系统的NB-IoT 技术和系统的计费模块。

2 软硬件设计

2.1 NB-IoT 技术

窄带物联网（NB-IoT）是物联网领域一种新兴的技术，它支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接[2]，也叫作低功耗广域网（LPWAN）。它可以通过对现有4G LTE 系统的空口物理层及高层、 接入网及核心网进行改进和优化[3]，简化结构和升级软件程序来构建其网络。其具有部署灵活、功耗低、覆盖范围广、接入量大、成本低等特点。它既可以在LTE 频带外单独部署，也可以在LTE 边缘频段部署，还能在LTE 频段内部署[4]。其采用节能模式设计，对于实时性通信要求不高的设备，一般采用数据打包模式，将数据存储在燃气表中，然后每天定时上传一次，使得终端设备99%时间都处于深度休眠状态，功耗仅为15 μA，一节电池可以使用10 年，这是物联网燃气表选择它作为无线通信网络的重要原因。还有另外一个重要的原因就是NB-IoT 信号覆盖范围广，它的MCL（最大耦合路损）可以达到164 dB，在GSM 基础上覆盖增强20 dB[5]，对于解决安装位置较差的燃气表的无线通信问题起到很大的作用。再加上网络改造成本和终端芯片成本都比较低。因此，对于物联网燃气表有极大的诱惑力。

2.2 NB-IoT 通信模块设计

物联网燃气表是一种具备物联网功能的燃气气体体积计量器具，其主要包括无线通信、计量、阀控和贸易结算等功能。为了产品生产、使用、维护的方便性、通用性和灵活性，我司引进了模块化设计理念，将各功能采用独立模块设计，其中通信功能也被设计为独立的NB-IoT 模块，与主板之间采用标准RS232 接口TTL 电平连接。

NB-IoT 通信模块是燃气表与计费管理系统的连接纽带，其通过无线电波将二者实现通信。其主要包括NB-IoT 模组芯片、MCU、存储器、DC/DC 转换芯片、天线、SIM 卡等。其总体结构如图2 所示。

图2 NB-IoT 通信模块总体结构图Fig.2 Overall structure diagram of NB-IoT communication module

其整体采用低功耗设计，MCU 选用MSP430 低功耗芯片，可以支持电源完全切断或处于深度睡眠（PSM）状态。为了网络通信协议兼容性更强，选择了多模的中移物联NB-IoT 模组M5311，其支持TCP、UDP、CoAP、LWM2M、HTTP、MQTT、TLS 等多种协议[6]，可以满足不同的网络需求。

一款优秀的物联网燃气表不仅仅有硬件支撑，更重要的是实现丰富的数据传输、远程控制、物联网等功能的软件设计，如参数读写、无线抄表、远程开户、远程充值、远程调价、远程控阀、远程读取价格信息、远程修改系数等功能。虽然M5311 支持多种协议，但在该课题中为了通信的兼容性和稳定性，选用了TCP/IP 网络协议[7]为无线通信主协议，通信模式采用主动上报工作模式，以通信模块为Socket Client 端，计费管理平台为Socket Server端，由设备端发起拨号链接，与服务端建立通信信道实现无线通信。NB-IoT 模块无线通信流程如图3所示。

图3 NB-IoT 模块无线通信流程Fig.3 Flow chart of NB-IoT module wireless communication

2.3 计费功能设计

互联网购物、互联网缴费已司空见惯，而物联网购气还是新兴事物。本计费管理系统结合物联网燃气表的NB-IoT 模块的无线通信功能，再加上无线通信过程中的加解密体系和第三方支付功能如微信、支付宝、信用卡、网银等，实现了燃气用户的自助式物联网购气功能。其加解密体系采用3DES+MAC 加密方式[8]，MAC 算法是一种非对称不可逆算法。计费系统和物联网燃气表通信之前，必须事先预置一组16 字节Hex 码的密钥和一组8 字节Hex 码的加密因子，用于充值命令和应答命令的加解密。本系统在计费模块中设计了离线充值和在线充值两种模式。前者为用户充值后，计费系统将用户充值信息先存储在费用结算数据库，等下次建立无线通信时，计费系统会从数据库读取原先的充值信息并进行MAC加密，然后通过无线通道下发给NB-IoT 模块，其接收到加密数据后，转发给燃气表的ESAM 模块进行解密[9]和充值过程验证及存储，然后发送应答命令给NB-IoT 模块，其响应给计费系统，从而完成整个购气过程如图4 所示；后者为用户充值时，直接将充值信息加密后输送到物联网燃气表，其它过程同上。

图4 物联网购气流程图Fig.4 Flow chart of internet of things purchasing

3 实验结果

本课题设计的工商业物联网燃气表支持3 种供电模式：锂电池供电、太阳能供电和外电源供电。太阳能供电与外电源供电性质一致，可视为1 种，即实时在线模式。因此，本实验选用锂电池供电和外电源供电2 种模式，分别对应了物联网充值的离线充值和在线充值。

本实验选用了10 台物联网燃气表样机、10 只本安电源、10 张SIM 卡，结合无线计费管理系统，分别进行了离线充值和在线充值实验，每台样机每种充值方式各进行10 次。其结果如表1、表2 所示。

表1 离线充值实验结果数据表格Tab.1 Data of offline recharge experiment results

表2 在线充值实验结果数据表格Tab.2 Data of online recharge experiment results

由上表可知，两次实验的最终充值成功率为100%，效果非常好，达到设计预期要求。但无线通信传输数据过程中还是存在部分重发现象，由于无线通信本身不稳定、 数据丢包等情况和设备自身特性，也影响重发率的高低。重发率计算公式如下：

式中：R 为无线通信重发率，即补发次数与通信总次数比率；T补为补发的通信次数；T总为通信总次数。

根据上文表1、表2 数据代入式（1）得，离线充值重发率R离=6.5%，在线充值重发率R在=4.8%，从两次实验的重发率分析，在线充值的重发率略低，分析原因有两点：

（1）供电电量足：在NB-IoT 模块启动无线通信拨号，需大功率电流放电，因此需要充足电源供电。外电源供电电量足，有源源不断的能量给无线模块供电，而电池相对而言，供电能力相对弱点。

（2）数据不拥堵：由于外电源供电同台样机的无线通信前后两包间隔时间长，通信过程中数据串包机会少，计费系统处理数据时间充裕，数据并发处理概率也低；电池供电为了节约电能，两数据包间隔时间相对短些，串包和并发概率略高。

因此，物联网充值两种模式都能满足用户需求，但从重发率角度上分析，在线充值的重发率更低点，有条件的用户使用在线充值更理想。

4 结语

随着网络经济的快速发展，物联网充值计费是我国燃气行业发展的必然趋势。本课题研究的无线计费管理系统和物联网燃气表将会逐步取代传统的基表和IC 卡表，其市场前景非常广阔。对于NBIoT 技术的研究及在燃气表中的应用和无线计费管理平台的研发有着非常大的商业价值。