郭丽霞，吴新峰

（安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000）

0 引言

DTU的主要功能是把远端设备的数据通过无线的方式传送回后台服务器,并且服务器能够通过DTU远程操作终端模块。通常一套完整的无线数据传输系统包括：终端数据采集单元、DTU数据传输单元、移动网络、后台服务器数据处理中心等，DTU是整个数据传输的通道，实现数据的双向传输，DTU的性能影响着整个系统的可靠性。

1 低速率窄带物联网NB-IoT通信技术现状

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）以蜂窝网络为基本结构，实现了低速窄带宽环境下物联网的有效构建，具有长距离、低速率、低能耗以及服务多样化的特点。同时也具有覆盖强、成本低、资费低的特性。现有的技术条件下，在同样的带宽频段下，NB-IoT网络增益超过20 dB，覆盖面积扩大100倍，这种覆盖能力使得物联网的通信能力得到大大增强，实用性切实得到保障。目前NB-IoT一个扇区最多可以支持10万用户端的同时在线连接，并且即便是在满负荷的情况下，NBIoT通信技术仍然保持一个较低的延时率，提升了用户的满意度[1]。

目前市场上同类产品采用的无线传输方式有GPRS技术和LoRa技术。GPRS最大不足是通信链路资费贵的问题，同时功耗远远大于NB-IoT，在由锂电供电的场合，采用低功耗传输才能延长仪表的使用时间。和LoRa相比，NB-IoT是三大运营商布局和服务的网络，通信质量能够保证，因为LoRa运行在非授权频段，所受的干扰和通信安全是其面临的问题[2]。所以本设计采用NB-IoT无线传输技术，可获得得更多的优势。

2 总体设计优点

本设计主要具有两个突出优点。一是低功耗。本设计无线通信采用NB-IoT技术，NB-IoT又称为低功耗广域网，此技术可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具有超强覆盖、超低功耗、超低成本、超大连接等特点。此外，该设计选用低功耗处理器，程序中对低功耗优化处理，采用不同的低功耗策略，平时整机工作在低功耗模式下，静态整体功耗<20 uA。二是低成本，NB-IoT资费很低，降低整体系统运营成本。

3 硬件设计

本系统的整体结构框图如图1所示，包括数据处理单元、无线数据传输单元、数据接口以及程序下载JTAG接口。它采用MICROCHIP公司的PIC16LF15324处理器作为处理单元，采用深圳有方科技的NB-LOT无线传输模块N21进行无线数据传输，采用485接口作为数据接口，内置15KV ESD保护，从而可方便应用在多种行业。

图1 系统整体结构框图

3.1 主要芯片介绍

3.1.1 PIC16LF15324的特点

PIC16LF15324单片机具有模拟外设、独立于内核的外设和通信外设，并结合了超低功耗（eX⁃treme Low-Power，XLP）技术，适用于一系列广泛的通用和低功耗应用。具有两个串口，11通道带电压基准10位ADC，3个定时器，低功耗欠压复位，可编程欠压复位，具有在线式串行编程（ICSP）等功能。

3.1.2 N21介绍

N21是一款超小封装NB-IoT工业级无线通讯模块。N21模块特点是超低功耗，广域覆盖，外围电路简单，客户易于开发，适合用于低速率低功耗的物联网通讯设备。支持TCP/IP/UDP，IoT协议。N21集成了工业UART接口，支持多种网络协议，如COAP/UDP/TCP/IP/MQTT。采用Pin 2 Pin设计，兼容Neoway N11系列2G模块，支持主流频段，可以用在亚洲、欧洲、澳大利亚和全球其他有NB网络部署的地方。

3.2 电源电路

本设计的电源采用两级分压设计。一级分压是使输入的宽电压范围直流12 V至36 V转换为直流5 V，电路如图2所示，采用上海芯龙的DC-DC芯片XL7035作为电压转化芯片。二级分压是使直流5 V转换为直流3 V，电路如图3所示，从而供单片机和采N21使用，采用MIC29302WU电源芯片。

图2 一级分压电源电路

图3 二级分压电源电路

电源部分注意事项：

电源的性能，比如负载能力、纹波的大小等，都会直接影响模块的性能和稳定性。另外模块在弱信号情况下，可能会以最大功率发射，此时瞬时峰值电流可达1 A左右，会造成模块电压跌落。如果电压跌落到3.3 V以下，可能会造成模块重启等异常。D1使用TVS管，可以防止电源浪涌对模块的损坏，推荐型号：SMF5.0AG（V rwm=5V&P ppm=200 W）。C5可选择大容量的铝电解电容（470 μF），C2 可选择陶瓷电容，两者可以提高电源的瞬间大电流续流能力，平滑供电电源的电压波动。此外在靠近模块的电源管脚还要增加 0.1μF、100pF和33pF的滤波电容，降低高频干扰。

3.3 无线传输控制电路

N21的外围电路通过串口与单片机进行通信，从而进行配置和数据传输；单片机通过IO口高低电平来控制N21的开关机；天线接口采用标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。无线传输控制电路图如图4所示。

图4 无线传输控制电路

3.4 数据处理单元电路

单片机的外围电路通过PPS定位RC0、RC2作为串口1，定位到RC4、RC3为串口2与N21进行数据传输；连接SP3485进行485数据传输；同时连接JTAG接口进行程序下载。数据处理单元电路如图5所示。

图5 数据处理单元电路

3.5 通信485接口电路

通信485接口电路采用TVS进行保护，通过单片机的RC1高低电平控制接收和发送。其电路如图6所示。

图6 通信485接口电路

3.6 USIM接口电路

USIM接口电路采用标准的抽屉式用户卡接口，支持1.8V/3V SIM/UIM卡，内置15KV ESD保护。其电路如图7所示。

图7 USIM接口电路

3.7 布线设计要点

针对N21硬件设计有许多需注意的事项，本设计在布线时要格外注意。

电源部分在PCB中走线要远离射频部分，走线宽度要保证1 A的电流安全通过而且不能有明显的回路压降。主电源走线宽度要求大约为2 mm左右。电源部分的地平面尽量完整，且多打地孔。

PCB的走线方式为：射频线宽度为0.8～1.0 mm；射频线与铺地的间距为1～0.8 mm；射频线需要完整包地且要多打地孔（很重要）；射频线对应的背面层需要挖地掏空，射频线走线尽量短（不超过15 mm为宜），尽量圆滑，无突起，比如使用弧线或者泪滴，以防止反射。

在NB-IoT模块的工作过程中，存在瞬间大电流的情况，容易导致电压波动产生开关噪声，这种噪声会影响模块以外的电路。为了规避这种噪声，需要将模块的电源和其它电路的电源做隔离处理。隔离措施采用LC滤波电路中，电感L使用10 μH，额定电流大1.2 A的线绕功率电感。

4 软件设计

软件开发以MPLAB X IDE v4.15为开发平台，图形化配置单片机外设，自动产生配置代码，采用C语言编写。软件设计的主要工作是通过AT指令控制N21模块，控制流程如图8所示。

图8 配置N21流程图

建立PPP连接的主要代码如下：

5 测试

服务器发送几串任意数据，数据通过NB-IoT无线传输到DTU，电脑通过USB转485模块连接本DTU设备，数据能够在串口助手接收显示。

6 结束语

随着三大运营商NB-IoT网络的逐渐成熟，基于NB-IoT的应用会越来越多。DTU已经广泛应用于电力、环保、LED信息发布、物流、水文、气象等行业领域。通过基于NB-IoT的透传DTU设计，简化了工程项目中的设计难度；促进了例如无线数据采集、远程控制等各种物联网方面的使用。在互联网日益发展的今天，它为各行业之间的信息交换以及产业融合升级提供了帮助。