杨友良 陈宇擎 马翠红

摘  要： 文中设计采用区别于广域物联网的窄带物联网技术进行预付费燃气表的通信传输，解决了广域物联网所需基站多、覆盖范围小的问题。应用NB?IoT技术的预付费燃气表装置的设计采用模块化的方式。主控制器选择MSP430F4152，采用SARA?N2系列模块实现无线数据的传输功能，软硬件设备相互配合，更好地实现数据的实时监测、自动传输、物联网付费及远程调价等功能。通过低功耗测试实验表明，该装置通信性能好，计费测量准确，电能消耗量低，使用寿命长。

关键词： 预付费燃气表; 窄带物联网; 系统设计; 数据传输; 远程调控; 能耗测试

中图分类号： TN915?34; TP216                   文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）12?0091?04

Abstract： In this design， the narrow?band Internet of Thing （NB?IoT） technology different from the wide?area IoT is used to carry out the communication transmission of the prepaid gas meter， which solves the problems that the wide?area IoT requires many base stations and has a small coverage. The prepaid gas meter device applying NB?IoT technology is designed in a modular manner. The MSP430F4152 is selected as the main controller， the SARA?N2 series modules are adopted to realize the transmission function of the wireless data， and the hardware and software devices are cooperative with each other to better realize the functions of real?time monitoring and automatic transmission of data， IoT payment and remote price adjustment， etc. The testing experiment results of low?power consumption show that the device has good communication performance， accurate billing measurement， low power consumption and long service life.

Keywords： prepaid gas meter; NB?IoT; system design; data transmission; remote control; energy consumption test

0  引  言

近几年，物联网技术、云计算以及大数据分析都在迅猛发展，国家相关部门提出丰富智能终端高级测量系统的实施功能，使得水表、气表、电表、燃气表能够稳步实现集中采集和集中抄表[1]。目前常用的智能燃气表有智能卡表和无线抄表，其中智能卡表在使用中自动扣除费用，方便公司管理收费，但也存在需要生产智能充值卡增加成本的问题;无线抄表主要采用无线射频或ZigBee 进行数据传输，这种表存在传输距离短、覆盖范围小、需要基站多的问题，增加了建设和维护成本[2?3]。NB?IoT技术是一种获得国际认可的新兴物联网技术，在近几年的发展中受到国家的大力扶持，因其低功耗的优势获得企业的广泛关注，它为物联网中的海量设备提供连接，化简了网络拓扑结构，实现了超强待机的功能[4]。此项技术更适合静态业务场景，应用于抄表系统中大有裨益[5]。

1  应用NB?IoT技术的燃气表装置总体设计

为提高整个远传智能燃气表装置运行的准确性，选用单片机作为整个装置的核心模块，选用CPU卡作为整个系统信息存储与交换的载体。对于系统的运行参数，如用户购买气量、管内剩余气量等信息都保存在E2PROM中。四声道超声流量计对气体流量值进行检测，温度、压力传感器对燃气表的使用环境进行辅助监测，利用NB?IoT通信模块将各种数据资源实时输送到PC端，使得燃气用户和管理人员可通过网络访问后台服务器获取数据信息，使得应用NB?IoT技术的天然气表更加智能化。

应用NB?IoT技术的预付费燃气表装置整体设计框图如图1所示。

预付费远传智能燃气表实现功能为：天然气流量的计费与控制、设备的显示与报警、信息的上传和交互。报警情况如下：电池欠压、管道气体过流、阀门打开及关闭、室内燃气泄漏、系统非正常操作、用户欠费等。当设备报警时，电动机阀门关闭，蜂鸣器发声，显示屏报警显示。

2  NB?IoT介绍

窄带物联网技术（NB?IoT）以它低功耗的优势使设备更易在广域物联网中进行连接[6]。NB?IoT的主要优势体现在以下几个方面：

1） 低功耗低成本

NB?IoT技术对其存储信息、射频天线电路、适用算法的要求都比较低。NB?IoT无需重新建立服务器，可对三大运营商现有的服务平台进行租赁，得到较低的建设维护成本。

2） 广覆盖

NB?IoT具有良好的信号穿透能力，在密集建筑物、地下室、隧道内都能实现良好的覆盖。

3） 强连接

NB?IoT的单个扇区可达到上万的连接量，在同等条件下是传统移动通信技术的50～100倍。

NB?IoT技术的优势使得其在智能电表、智能气表、智能水表等设备的远程管理上具有较好的应用，能有效地解决当前物联网远距离数据传输不稳定和设备功耗较高等问题。用户设备终端通过安装相应SIM卡的方式接入NB?IoT网络，并实现与运营商所部署的NB?IoT基站之间信息收发，并进一步经过核心网实现基站与物联网云平台的连接，物联网云平台完成各类业务的运算与处理，所得到的结果可反馈到用户设备终端，也可使用行业应用设备读取[7]。

预付费燃气表装置的研究在感知层收入传感器信息，并通过微控制器对电动阀门的开关进行控制，所融合的传感器信息通过NB?IoT传输层与平台层上传到应用层的天然气运营管理系统，进行数据的交换与分析以及综合业务的管理。

3  预付费远传燃气表的硬件设计

3.1  单片机最小系统

应用NB?IoT技术的预付费燃气表装置采用MSP430F415作为设备的主控制器，为配合MSP430F415微控制器实现超低功耗，将外围电路按功能划分成各个模块，并将CPU调整到适配状态，使外围电路能够在不受CPU工作状态的影响下独立运行[8]。以MSP430F415為主控制器的最小系统如图2所示。复位电路由10 kΩ的电阻与0.1 μF的电容组成，实现上电复位和手动复位的功能。32.768 kHz的超低功耗晶体振荡器能有效地降低系统功耗。系统采用的两个12 pF的电容作为旁路电路，来降低数模电源带来的干扰。其中需要在模拟电源和数字电源之间加入一个0 Ω电阻和一个10 mH电感，进行电路的隔离处理。

3.2  阀门驱动电路

应用NB?IoT技术的燃气表中对于阀门电路的控制也至关重要，本次设计采用DRV8832DGV芯片，它的作用是实现系统小电流向大电流的转换。该芯片能实现电动机阀门的安全启动，以及设备的过压、限流、过温保护。芯片的正常工作电压为2.75～6 V，输出最大电流为1 A，对PWM电压的管理能力[9]达到94%，使系统更加安全高效。单片机的P2.1口和P2.2口连接芯片的输出端，两个端口通过控制电平的高低来实现电机的正反转，从而实现电动阀门的打开或关闭。预付费天然气表的阀门电机电源线与驱动芯片的OUT1和OUT2端口相连。

3.3  窄带物联网通信模块的设计

预付费远传燃气表通信模块的设计采用瑞士U?blox公司生产的SARA?N2系列模块，其单个单元的工作时常可达到10～20年之久，有效地提高家庭用表的工作年限，工作温度在-40～85 ℃，能在工业用表中进行推广。

基于SARA?N2模块的预付费远传燃气表通信电路图如图4所示，模块支持串行通信接口UART，因RESET_N中存在上拉电阻，可与单片机直连。当单片机产生复位信号时，复位引脚RESET_N逻辑为0，其余时段保持为逻辑1。单片机与通信模块之间采用串口异步收发传输器。在SIM卡直接相连的电路上并联接地电容，防止天线造成电流干扰，ANT_DET 管脚为检测管脚，其输出1个直流电流，用以检测是否连接天线。

4  预付费远传燃气表软件设计

4.1  总体软件程序设计

预付费燃气表设备的软件功能主要包括CPU卡数据模块的读写操作以及数据间的加密传输、燃气流量的计量、对电压的数模采样、无线通信报警、设备端的屏幕显示。系统在进入主循环之前首先进行复位操作，并在特殊功能寄存器中设定初始值，将内部存储单元清零。进入主循环之后，先进行故障判断，若发生故障则进行关阀处理，单片机停止运行，报警模块进行报警。当燃气表中的气体量低于设定的最低值时，显示模块显示“气量不足，请购气”。当流量采集模块检验到管内气体量不足时，单片机控制电动机阀门关闭，预付费天然气表停止工作。

4.2  中断程序设计

中断程序需要明确各个子模块功能，为此采用模块化的设计方式对天然气预付燃气表装置进行设计，充分明确了各个模块的入口与出口。中断程序的主要软件模块有：系统掉电处理子模块、CPU卡操作子模块、脉冲处理子模块、设备泄漏报警子模块以及电压检测子模块。

5  系统能耗测试

应用NB?IoT 技术的预付费燃气表的推广需要降低其各模块功耗，系统低功耗测试如表1所示。从表中发现，预付费燃气表装置的系统功耗分为休眠功耗和工作功耗。系统除了主MCU、采样模块、通信模块外，其余模块大部分时间处于休眠状态，系统的电流消耗约为：

6  结  语

针对于当前广域物联网领域中远传燃气表出现的所需基站多、覆盖范围小的问题，对预付费型远传燃气表装置采用NB?IoT技术进行通信传输。外围电路的搭建和内部软件的设计以降低能耗为主要标准。实验结果表明，这种应用窄带物联网技术的预付费型燃气表具有更成熟的网络功能和更高的使用年限，为消费者和公司提供一个安全便利的天然气贸易估算平台[10]。

参考文献

[1] 杜博，吴琼，杜景飞，等.基于云平台管理系统的智能表数据采集器的设计[J].电测与仪表，2018，55（7）：105?109.

[2] 常鑫，李北星.基于3G技术的智能水表控制装置研究[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2017，48（2）：200?204.

[3] 石跃祥，钟喆，李锦泓.一种新型智能水表抄表系统[J].物联网技术，2014，4（6）：16?18.

[4] WANG Y E， LIN X Q， ADHIKARY A， et al. A primer on 3GPP narrow bond Internet of Things [J]. IEEE communications magazine， 2017， 55（3）： 117?123.

[5] 韩进，张玺.窄带物联网的远程无线抄表系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（4）：63?68.

[6] 李中阳，黄君委，卢智颖，等.基于NB?IoT技术无线计费系统的设计研究[J].自动化与仪表，2019，34（3）：105?108.

[7] 祝恩国，邹和平，巫钟兴.一种应用NB?IoT的智能电能计量装置设计[J].电气传动，2019，49（3）：92?96.

[8] 王贤礼.无线远程智能燃气表研究[D].宁波：宁波大学，2017.

[9] 马涛，高宇康，杨术明.基于CPU卡的燃气表控制系统设计[J].河北大学学报（自然科学版），2015，35（2）：210?216.

[10] 赵振中，廖红春.智能燃气表现状及发展方向[J].煤气与热力，2014，34（7）：29?31.