基于NB-IoT 的物联网智能电能表设计

袁玉英，罗永刚，杨禾牧

（1.山东理工大学计算机科学与技术学院，山东 淄博 255000；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000；3.国网浙江省电力有限公司平阳县供电公司，浙江 温州 325000）

0 引言

为了掌握企业、家庭的用电情况，为能源的生产、调度提供依据，需要采集电能表运行数据并且远程传输至云平台，实现数据挖掘或者分析。现有的数据采集方案主要是集中器通过RS485 总线连接多个电能表，电能表采集用电量、电压等参数，集中器汇总电能表数据，然后通过公用通信网络远传至云平台。但是由于数据通信采用有线方式，因此需要施工布线，并且由于需要配备集中器、采集器等网络设备，增加了抄表系统的成本，降低了系统的可靠性。

近几年，物联网市场发展如火如荼，实现万物互联互通，其中低速率、高延时的应用市场占据了物联网连接的60%以上。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）具有覆盖广、海量连接、低功耗、穿透力强等特点，当之无愧成为行业热点［1］。在电能表内增加NB-IoT 模块，电能表采集的用电量、电压、电流等信息通过NB-IoT 模块与云平台直接交互，使用简单方便，不仅省去了布线、配套集中器等成本，还提高了数据安全和可靠性［2］。提出一种低成本物联网电能表设计方法，介绍总体设计方案，并对CPU电路、采样电路、通信电路进行详细介绍，最后制作样机，并对样机进行精度测试和数据网络上传等试验，试验结果证明了所设计电能表精度满足要求，数据通信可靠。

1 总体方案

电能表主要包括CPU 电路、采样电路、通信电路等，原理如图1 所示。CPU 电路完成数据显示、按键处理、计量、掉电检测等功能；采样电路完成对电流、电压的取样，送入CPU 电路；电源部分将220 V交流电变为5 V 直流电，实现对整个系统的供电；按键和显示部分主要用于对电能表参数的显示，例如显示有功功率、电压、电流、频率等参数；通信部分通过NB-IoT 网络实现云平台与电能表数据的直接交互。

图1 电能表组成

2 处理器电路设计

电能表处理器选用HT5017，CPU 电路设计如图2 所示。

图2 主电路设计

HT5017 芯片是一个低功耗、高性能的单相电能计量SOC 芯片，集成了ARM 内核，具有64 KB 的程序存储空间，并且具有LCD 驱动模块以及RTC 模块、EMU 模块、电源管理模块等。因此，只需要一个芯片再配合少量外围器件，便能完成对于电能的计量、显示、校准、通信等功能。

芯片内计量部分主要包括3 个单独的模数转换模块（ADC） 以及信号处理模块，3 个ADC 完成2 路电流信号和1 路电压信号的采样，数字信号处理模块主要完成有功、无功以及视在功率的计算并存入对应寄存器中供处理器读取。

3 采样电路

电流采样电路如图3 所示，电流流过锰铜片产生压降，然后通过阻容滤波电路后作为输入接HT5017芯片引脚，通过ADC 完成对于电流的采样。

图3 电流采样电路

电压采样电路如图4 所示，主要通过电阻网络降压，然后通过电容滤波输入到HT5017 芯片中，完成电压的采集。电流电压乘积经过滤波作为有功功率存入对应寄存器。有功电能可以使用脉冲方式输出，用于电能表的校表［3-4］。

芯片集成显示驱动电路，使用LCD 用于显示测量的电能以及电流电压等参数。与传统分立式电能表设计方案相比，该方案集成度高、可靠稳定、性价比高，更具有市场竞争力。

图4 电压采样电路

4 通信电路

图5 NB-IoT 模块原理

为了能通过NB-IoT 网络实现数据的传输，通信电路使用M5310-A 集成模块，该模块是满足BAND3／BAND5／BAND8 的工业级NB-IoT 模组，具有宽电压供电、超低功耗和超宽的温度范围等优势，支持常用IPV6、UDP、TCP、COAP、MQTT 等协议。芯片对外的接口是串行口，支持4 800～115 200 bit／s 的波特率，使用标准AT 指令，方便用户使用［5］。

通信电路设计原理如图5 所示。

上电后芯片默认自动启动，不需要复位，通过串口连接HT5017。模块上电后会主动寻找网络并且注册，因此通过AT+CGREG 命令查找注册状态。如果模块是第1 次注册，模块会去搜索所有频段，直到找到能完成注册的网络；注册成功后，记录附近NB-IoT信号频点，下次再注册时，首先寻找记录的频点，这样大大节约了入网时间。如果设备移动了位置，则先搜索默认频点，不能注册成功后，再去搜索其他频点，将增加入网时间。因此当不能入网时，应该清除默认频点，以免下次浪费注册时间。

数据通过NB-IoT 网络传送到云平台，OneNET作为某通信公司主推的面向公共服务自主研发的开放云平台，为各种跨平台物联网应用、行业解决方案提供简便的海量连接、云端存储、消息分发和大数据分析等优质服务。

5 样机试验结果

按照设计对样表焊接后，进行基本误差检测，抽取4 只表，在额定电压UN条件下，分别在0.05I（I 为基本电流10 A）、I、I（0.5 L）条件下校准，L 为感性负载，校表数据如表1 所示，可知误差均可控制在0.1%之内，精度满足IEC 62053-21 关于1 级单相电能表1%的规范要求［5］。

表1 样表误差数据

NB-IoT 通信试验采用间隔通信的方式上传数据。电能表间隔15 min 上传一次表内数据，上传具体时间根据表号后两位错开，使用OneNET 平台接收上传数据。20 只电能表共1 920 次传输，一次上传成功为1 910 次，补传成功为100%。

6 结语

基于NB-IoT 的智能物联网电能表，数据直接传送到云平台，省去了采集器、集中器等网络设备，并且省去了RS485 总线的布线调试等成本，电能表无需配置即可上网。同时由于NB-IoT 网络覆盖广、功耗低、接入能力强等特点，提供了比GPRS 网络更高效的网络支持，并且OneNET 云平台采用统一传输协议，使多种设备海量接入成为可能。经过实践证明，该设计成本低、精度高、数据传输可靠、稳定性强，具有非常广阔的市场前景。