简述基于NB-IoT的微电流采集系统

2021-09-02张娜刘明凯

科学与信息化 2021年22期

张娜刘明凯

1. 山东理工大学计算机科学与技术学院山东淄博 255000；

2. 山东理工大学机械设计制造及自动化学院山东淄博 255000

引言

在我国，许多的建筑施工工地还是传统地用人工对电缆电流采集信息数据进行记录。而人工采集多个电缆电流，不可能同时计算出每个表的参数，数据采集周期也很长，难以实现数据采集的准确性。基于有线方式进行工业级的数据信息传感器装置一般也只适用于小型的实验室设备，对于一些不同高度的电缆线也依然需要我们采用布线的方式。传统微电流检测是利用GSM来实现数据的传输，而本设计利用窄带物联网进行上位机与下位机之间的数据传输，NB-IoT技术是一种物联网的窄带射频技术，对于物联网设备的数据传输非常有利。在下位机间传感器与主控制器采用RS485进行数据传输，保证数据传输的可靠性。

1 产品设计简介

我们将微电流检测传感器采集的数据实时传输到主控制器，通信协议采用的是RS485双向通信协议，保证数据传输的可靠性。主控制器采用的是基于STM32103系列芯片，其中包括数据采集、数据解析，以及数据的CRC校验、数据回传、数据上报等，主控制器与NB模块通过串口连接，以此将下位机采集的数据传输到服务器进行数据分析。物联网云平台用于Web界面显示和手机接入，用户可以通过手机或Web界面查询传感器数据的运行状态，远程控制主控芯片[1]。

2 系统硬件设计

首先，工业传感器模块通过RS485协议和主控制芯片实现双向数据通信，通过采集器实现传感器模块的数据读取。

2.1 主控制器

系统采用STM32作为主控制器。主控制器实现与微电流采集模块和NB模块的通信。主控制器通过工业传感器通信控制模块向工业电缆微电流采集器发送读取电缆数据的指令，侦听电缆微电流采集器返回的数据，对接收到的数据进行解析，将有效信息提取出来，在完成一个周期内的数据采集后，主控制器根据NB模块的通信协议对不同电缆微电流采集器的数据进行压缩封装。添加安全验证密钥后，将完整的数据包发送给服务器进行数据解析，服务器分析数据后通过Web呈现给用户[2]。

2.2 微电路与采集电路设计

为针对多个使用场景，系统采用了多个不同的采集模块，其中包括圆柱形夹式电缆，直接卡到电缆上读取电流数据，与此同时，为了采集精密型微小电流，我们采用尖端引电荷类似于避雷针的原理将微小电流通过多个引针引到一根总线上，通过电流采集模块直接采集电流信息。其简易示意图如图1所示：

图1 电流采集简易图

在通过上述方案采集到电流后，将数据通过NB模块同步到云端，使得用户可以实时观看设备数据。

2.3 NB模组

NB模组采用中移M6312模块，模组实现数据通信的信号灵敏度可低至－135dBm，使模组的通信范围大大增加。模块通过串口与单片机之间保持实时通信。单片机通过外围引脚连接的电流采集模块采集到微电流后，NB模块收到主控制器发来的数据包后被激活，从休眠状态切换到工作状态（在无数据传输的时候，NB模块保持休眠以提高系统的续航能力，保持设备在户外情况下能够超长时间正常工作），将接收到的数据包发送到物联网云平台，服务器接收到下位机传来的电流信息，分析物联网云平台下发的用户指令数据以此来实现对下位机的控制，实现物联，用户就可以通过App、网页等途径实时观察到微电流的实时信息。NB模块的超低功耗、信号覆盖广、数据传输更加稳定等优点成为系统通信模块的首选。

2.4 GPS模块设计

为了记录设备的位置情况，方便管理者精准地观测到设备的位置信息以判断线缆位置，系统采用正点原子的ATK-NEO-6M高性能GPS模块，模块自带后备电池，在设备无电时，系统会用后备电池为管理者发送设备位置以及无电告警，天线的使用保持位置信号的稳定，单片机通过串口与GPS模块连接，保持位置信息实时更新，在单片机读取GPS模块发送的位置信息后，单片机分析模块数据，解析后通过串口发送给NB模块，从而上传到上位机，上位机采用地图显示设备信息。

3 系统工作流程

主控制器上电后，首先对硬件系统接口技术进行一个初始化，完成串口波特率与校验位的配置；然后对NB模组结构进行合理配置，激活NB模组产品进入正常工作状态，搜索NB网络环境信号，并完成入网操作；NB模组接入企业网络后，主控制器可以开始实施执行连接物联网云平台具体操作，使NB模组接入互联网用户指定的物联网云平台。

NB模块连接到服务器并向服务器发送相关验证信息，验证成功时物联网云平台下发校验成功指令，接下来，依次向电缆微电流检测传感器发送电流、电压、电量读取指令，同时对于监听电缆微电流温度传感器的数据结果返回，并对返回数据包内容进行正确解码；对所有的电缆微电流传感器节点进行轮询，然后将不同的电缆微电流传感器数据进行有效压缩；根据NB模组的通信服务协议标准要求生成完整的数据包文。

主控制器通过UART接口将完整的数据包发送给NB模组后进入休眠状态，等待下一次RTC闹钟唤醒或UART中断指令唤醒；当主控制器已经处于休眠状态时，用户下发的指令由服务器下发至NB模组；NB模组完整接收指令的解码工作，主控制器被激活，解析命令数据，获取用户命令，并响应命令。此外，仪表数据被解析并存储在物联网云平台上，并可推至用户的数据服务器和用户终端[3]。

4 系统软件设计

本系统软件采用JAVA语言编写的APP，主要实现对下位机采集数据的处理，以及命令下发的工作。同时在安卓客户端，实现微电流数据信息传感器的消息订阅，设置一个发布的主题。同时我们开发了微信小程序，同样可以用来接收云端发过来的数据，进行对下位机传来数据的分析，并通过微信小程序的UI界面展现给用户，方便用户进行数据观看，微信小程序同样可以下发相应的指令，来控制下位机进行相应的操作。为了方便物联网的开发，我们采用中移ONENET平台作为开发平台，开发了一套简易界面。

电量测量数据展示界面如图2所示，电缆电流波形图如图3所示。