基于NB-IoT技术的远程抄表采集系统设计

唐明军,陈仁文，沈 全，郎干勇，杨 龑

(1.南京航空航天大学 航空学院，江苏 南京 210016；2.扬州工业职业技术学院 信息工程学院，江苏 扬州 225127；3.扬州万泰电子科技有限公司，江苏 扬州 225003；4.扬州绿创智能科技有限公司，江苏 扬州 225003)

0 引言

随着我国第十四个五年规划和2035年远景目标纲要的颁布，着重提出加快数字化发展，建设数字中国的发展目标，物联网技术条件下智慧城市建设的积极推进，智慧家居、智慧社区等智慧平台的构建也开始逐步提上日程,这些平台能有效降低管理单位重复劳务支出、降低管理成本、提高经营效率。使用户足不出户实现多种能源一键缴费、查询，并可远程控制能源阀门，监控用能安全的“多表合一”智慧管理系统平台也成为了数字社区智慧城市建设的基础之一[1-3]。现有的GPRS远程抄表系统解决了人工抄表在效率以及安全性上的问题[4-5]，但同时存在着功耗高、信号差和通信基站用户容量小等问题[6]。本文设计了一种基于NB-IoT的远程抄表采集装置及其抗干扰系统，包含智能表、与智能表连接的采集装置、NB-IoT基站、IoT核心网和业务平台终端；采用NB-IoT这一物联网创新技术，集中读取监控电水气能源计量仪表的使用数据及运行状态，并实现大数据分析、智能终端管理，更好地为智慧城市建设提供服务。

1 系统总体设计

针对传统无线通信方式功耗较高、传输距离较近的问题，提出了一种基于NB-IoT无线通信模块的低功耗的远程抄表智能监控系统方案，该方案有望解决当前物联网标准不统一、终端成本高、接入能力不足的问题。为解决上述技术问题采用以下技术方案，系统整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构Fig.1 Overall system architecture

整个系统由电脑或手机、云服务器、NB-IoT基站、IoT核心网、采集装置以及智能表组成。第1层为智能表计层，采集装置对采集智能表参数进行采集处理储存，通过NB-IoT模块将数据发送到NB-IoT基站；第2层为通信网络层，数据从采集层发送到基站，再由基站转发到IoT核心网平台；第3层为数据管理层，负责汇总入网的底层数据，并将数据储存在IoT云平台中，可随时调用导出数据进行查询或分析。

2 系统软硬件设计

2.1 采集装置硬件电路组成

采集装置由微控制器模块、接口模块、NB-IoT通信模块、时钟模块、存储器模块和供电模块组成。供电模块分别为微控制器模块、时钟模块、存储器模块、显示模块、按键模块、接口模块和NB-IoT通信模块提供所需电源。具体结构如图2所示。采集装置硬件从数据通信效率、系统稳定性和降低功耗等方面入手进行电路设计，解决了GPRS采集设备功耗过高、信号不稳定和用户接入量较少等问题[7]。

图2 采集装置结构Fig.2 Structure diagram of acquisition device

2.2 光耦隔离模块电路设计

采集设备包含光耦隔离模块与接口模块：接口模块通过光耦隔离模块连接微控制器模块，光耦隔离模块用于隔离由于环境恶劣带来的影响。具体设计如图3所示。

图3 采集装置光耦隔离模块电路Fig.3 Circuit diagram of optocoupler isolation module of acquisition device

2.3 AD/DC转换模块设计

AD/DC转换装置包含反激式变压器、整流滤波模块、启动电路、启动控制和低压锁定模块、峰值电流检测、采样保持模块、误差放大器、CV控制模块、退磁时间检测模块、CC控制模块、PFM逻辑控制模块、驱动模块和功率开关管M1[8]，电路如图4所示。

AD/DC转换模块进行数据转换处理，其省去了外部启动电路，大大降低启动部分的功耗；采用合封三极管实现启动，待机功耗低、速度快，无需高压工艺，易于实现、节约成本；当输出短路时，系统自动进入固定频率模式，提高稳定性[8]。

图4 采集装置AD/DC转换模块电路Fig.4 Circuit diagram of AD/DC conversion module of acquisition device

2.4 智能表软件设计

智能表的软件设计包含主程序与串口服务程序。串口服务程序的功能是接收采集装置的控制命令并进行解析，将其转发给智能表[9-10]。主程序的流程如图5所示。系统通电后进行初始化，进入低功耗工作模式，当到达定时器设置的数据发送时间，接收数据后查询数据完整性，如数据无误则将数据传输到采集装置。

图5 主程序流程Fig.5 Flow chart of main program

2.5 采集装置软件设计

采集装置在无需监听时开启Power Saving Mode(PSM)，即低功耗模式。采集装置在数据连接终止或周期性监听完成后开启PSM，在该模式下，采集装置依然注册在网络中，但是近似处于关机状态，不再监听任何寻呼，与网络无任何消息交互，因此功耗非常低[11]。用户在监听周期内进行一次寻呼信道，检查是否有下行业务，若有需求则触发主控制器，通过命令唤醒采集装置向业务终端平台发送数据[12-13]。采集装置工作流程如图6所示。

图6 采集装置工作流程Fig.6 Working flow of acquisition device

2.6 平台终端软件设计

智能表终端设计采用移动客户端设计，使用标准MVC框架，视图部分的移动客户端界面设计包括登录界面、用户使用和控制界面等常用界面[14]。其中，控制界面包括开关机设置、运行模式设置、恢复设置、采集数据选择设置和定时设置等。设计的客户端功能界面如图7所示。

图7 客户端功能界面Fig.7 Client function interface diagram

3 抗干扰设计

电磁兼容包括电磁骚扰和电磁抗扰度2个方面。对同一智能电能表，为了增强它对外部电磁骚扰的抗扰度，则必须降低它对外的电磁骚扰(EMI)。EMI包括传导型电磁骚扰(低频电磁骚扰)、辐射型电磁骚扰(高频电磁骚扰)、静电放电(ESD)、雷击浪涌产生的电磁骚扰和快速瞬变脉冲群等。其中，辐射型电磁骚扰最难控制，因为辐射型电磁骚扰的频率较高，能量的波长很短，很短的PCB布线或电能表电源变压器线圈、电流互感器线圈和电压互感器线圈等都可能成为收发天线[15]。因此，这也是本文的重点研究内容之一。

3.1 磁偶极子模型和电偶极子模型

由于天线是互易的，对于同一只单相智能电能表，降低它对外的EMI，就会增强它对外部EMI的抗扰度，因此研究辐射骚扰从分析电能表的辐射骚扰入手。

电能表对外辐射骚扰主要有差模辐射骚扰和共模辐射骚扰2种形式。差模辐射骚扰是由差模电流产生的，共模辐射骚扰是由共模电流产生的。

磁偶极子模型示意如图8所示，电偶极子模型示意如图9所示。

图8 磁偶极子模型示意Fig.8 Schematic diagram of magnetic dipole model

图9 电偶极子模型示意Fig.9 Schematic diagram of electric dipole model

差模电流是指往返于信号线与回流线之间、幅度相同、相位相反的电流，它在信号线与回流线之间形成的回路中流动，这个电流环路形成了差模辐射。当环路的周长远小于信号波长和场距时，差模辐射可用磁偶极子模型来描述。骚扰电流在信号线与信号地线之间(或电源线的火线和零线之间)流动。

共模电流是指存在于信号线和回流线中相位相同的电流，共模辐射通常存在于信号线和回流线与大地之间[13]。对一段通有高频电流的导线，当导线长度远小于信号波长和场距时，可以认为导线上的电流均匀分布，共模辐射可用电偶极子模型来描述。

3.2 差模辐射场特性分析

根据麦克斯韦方程组，可推导出差模辐射场为：

(1)

Er=0，

(2)

Eθ=0，

(3)

(4)

(5)

Hφ=0,

(6)

式中，H为磁场强度，单位为A/m；E为电场强度，单位为V/m；r为天线至场点的距离，单位为m；I为天线电流，单位为A；ΔS为小环天线面积，单位为m2；η为自由空间波阻抗，数值为377 Ω；k=2π/λ为波数，单位为rad/m。

在近场区内，感应占主导地位且kr远小于1，可认为e-jkr≈1，则表达式中只保留1/r的高次项，由此可见，磁偶极子差模辐射模型的电场强度与场距的平方成反比，与信号频率成正比，而磁场强度与场距的三次方成反比，与信号频率无关。

3.3 共模辐射场特性分析

根据麦克斯韦方程组，可推导出共模辐射场为：

(7)

(8)

Eφ=0，

(9)

(10)

Hr=0，

(11)

Hθ=0，

(12)

式中，H为磁场强度，单位为A/m；E为电场强度，单位为V/m；r为天线至场点的距离，单位为m；I为天线电流，单位为A；Δl为天线长度，单位为m；η为自由空间波阻抗，数值为377 Ω；k=2π/λ为波数，单位为rad/m。

与3.2小节结论类似：在近场区内，磁偶极子共模辐射模型的电场强度与场距的三次方成反比，与信号频率成反比，而磁场强度与场距的平方成反比，与信号频率无关。

4 结果分析

4.1 NB-IoT电能表辐射特性曲线分析结果

本文以采用NB-IoT技术的某型单相远程费控智能电能表进行的电磁辐射强度测试曲线为例进行说明分析。根据GB 9254-2008的规定，在测量距离为10 m处，在30～230 MHz射频范围内，电能表电磁辐射强度不能超过40 dBμV/m；在230～1 000 MHz射频范围内，电能表电磁辐射强度不能超过47 dBμV/m。其中，在230 MHz过渡频率处应采用较低的限值，即40 dBμV/m。图10(a)为电能表在851.4 MHz频率点电磁辐射强度超标曲线，图10(b)为电能表在30～1 000 MHz射频范围内电磁辐射强度均不超标曲线。

由图10可以看出，当f<300 MHz时，辐射骚扰基底辐射强度呈现不太规则抛物线形状，不少部分频点辐射强度相对于基底较大；当f≥300 MHz时，辐射骚扰几乎成一斜线，相对而言只有极少数频点辐射骚扰强度相对于基底较大。

(a) 不合格曲线

(b) 合格曲线图10 电能表实测辐射干扰强度曲线Fig.10 Measured radiation interference intensity curve of electric energy meter

由以上分析可知，可以采用磁偶极子模型和电偶极子模型进行差模骚扰强度和共模骚扰强度对NB-IoT智能电能表的抗辐射骚扰性能进行分析，这为NB-IoT智能电能表的抗辐射骚扰设计提供了理论依据，也为NB-IoT抄表系统的抗干扰设计提供了支撑，提高了整个NB-IoT抄表系统的可靠性。

4.2 NB-IoT电能表模组功耗分析结果

NB-IoT模组与GPRS模组功耗对比如表1所示，当NB-IoT模组处于低功耗模式下，其功耗明显低于GPRS模组。

表1 通信模组功耗对比

通过测试，实现了对智能表数据进行检测以及对采集装置运行模式和采集时间等进行功能设置，采集装置上行数据以及应用平台下行命令传输的测试，满足制定的控制采集需求。NB-IoT技术所采用的超窄带、重复传输以及精简协议等设计，相较LoRa，LTE Emtc等技术牺牲了一定的速率、时延以及移动性，却获得了功耗、覆盖性能上的优势，并有着很高的稳定性，在信号较差的环境下依然能够稳定运行，非常适合作为智能采集终端的通信技术[16-18]。

4.3 实际测试结果

本文对50个用户的用电情况进行实际测试，分别记录了这些用户2020年1—12月未使用智能抄表系统前的用电情况，以及2021年1—12月使用了NB-IoT远程抄表采集系统之后的用电情况。

所采集到的部分原始数据如表2所示。

表2 用电原始数据

通过计算每个月中50户的用电均值，绘制了如图11所示使用NB-IoT远程抄表采集系统前后的用电均值比较图。从图11中可以看出，使用NB-IoT的远程抄表系统的月用电均值均高于未使用NB-IoT的远程抄表系统的用电均值，产生用电量增加的原因在于现有的抄表系统的功耗更低而精确度更高，能够准确及时地记录用户的用电情况。

图11 使用NB-IoT远程抄表采集系统前后的用电均值比较Fig.11 Comparison of average power consumption before and after using NB-IoT remote meter reading acquisition system

5 结束语

本文基于NB-IoT技术并依托云平台设计了一套远程抄表采集装置及其抗干扰系统方案，为智能电能表的辐射骚扰设计提供了理论依据,实现了手机移动端或PC客户端对智能表数据的采集维护，为大规模的“多表合一”系统提供基础。“多表合一”系统通过NB-IoT技术，集中读取监控电水气能源计量仪表的使用数据及运行状态，以独立于供需双方的第三方服务方式，实现对水电气用量信息采集、传输、存储、分析、设备管理、数据下发、费用结算和增值服务等功能。“多表合一”系统结合大数据分析技术、云计算技术，可以更好地为智慧城市建设提供服务。