基于NB-IoT模组燃气表设计

樊超

摘 要：燃气表随着通信技术的不断发展，经历了多代的技术变革。本文介绍了燃气表的通信技术演进和NB-IoT无线远传表的优势。首先介绍了远程抄表的终端层、网络层、平台层、应用层的网络架构;其次对一款基于中移物联网有限公司出品的NB-IoT模组M5310-A智能燃气表的整体设计思路进行了阐述，并且从采集、通信、电源、软件实现等方面详细介绍了燃气表的设计。

关键词：NB-IoT;燃气表;M5310-A;通信模组

1无线通信智能燃气表的技术现状

随着我国近年来大力发展清洁能源，天然气消费水平快速提升。燃气表也随着行业的发展经过了多轮的技术换代。第一代燃气表是普通的皮膜式机械表，需要人工抄表。第二代燃气表是IC卡预充值燃气表，虽然解决了人工抄表但是燃气公司不能实时监控燃气表状况。第三代是有线传输燃气表，基于RS485或MBUS总线等技术的远距离抄表，但是施工难度大，线缆成本很高。第四代是无线远传燃气表，这种燃气表采用无线通信技术，有着方便、成本低等特点，越来越受到燃气企业的青睐。

无线远传智能燃气表也随着通信技术发展经历了多个阶段。主要包括：以zigbee、433Hz、蓝牙等技术为代表的短距离局域网燃气表和GPRS、NB-IoT、Lora为代表的长距离广域网燃气表。而NB-IoT技术是近几年才出现的最适合燃气表的传输技术。它具有功耗低、广覆盖、成本等特点，可以实现燃气表流量信息的实时采集和阀门控制。

2架构设计：

本文以使用中移物联网有限公司的NB-IoT模组为例介绍基于M5310-A模组的燃气表应用设计。该燃气表选用低功耗STM32系列单片机做为主控器，通过电源管理芯片为其提供稳定的电源，主控器連接按键、flash、LED显示屏外围接口电路。并且通过采集电路、数字转换电路、阀门驱动电路与基表相连，实现抄表、温湿度采集、阀门控制等功能。主控器通过串口与M5310-A模组相连，通过定时上报的形式实现低功耗数据传输。本设计总体框图如下图所示：

3测量电路设计

在本设计中，燃气流量测量使用的是超声波气体流量计，该流量计主要利用四通道时差法对燃气流量进行测量。主要工作原理是通过超声波信号在燃气管道中顺流与逆流时的速度不同来间接测量燃气的流速，从而换算出燃气流量。在燃气管道中气体的流速与顺逆流情况下超声波到达的时间有关。本设计使用STM32通过SPI接口与TDC-GP22相连。TDC-GP22中的脉冲发生器可以驱动并产生超声波，并通过时间差进行换算得出燃气的流量。

4通信电路设计

燃气表的通信单元主要由M5310-A模组、SIM卡、天线及外围电路组成。主控器STM32单片机通过串口与M5310-A模组相连，通过二极管和电阻串联的方式进行简易的电平匹配，在发射状态VBAT电源电流可达到500mA以上，为防止电压跌落电源网络需串联47uF的去耦电容，并且为较好去除射频串扰，还需并联pF级电容提高VBAT网络的频率响应。

模组引脚RF端到天线馈点的射频信号走线应当严格控制为50欧姆阻抗。射频线上的特征阻抗是指射频信号在传输过程中，PCB线上的每个点对应的阻抗。射频线的阻抗设计尽量避免突变，因为突变的射频线会导致射频信号反射，从而影响射频信号的质量。射频走线阻抗的设计通常使用仿真软件进行仿真和设计。阻抗值主要与介电常数、介质厚度、线宽、共面间距、铜箔厚度等因素有关。在阻抗仿真时需要选用PCB设计的模型，并填写相关的布线和制程工艺参数。RF网络上需要预留π形滤波电路，可以针对阻抗不匹配时进行调试。

5软件低功耗设计

燃气表由于对功耗要求很高，是典型的MAR-P业务类型。在本燃气表的设计中设置上报间隔为24h，采用开机驻网、连接物联网平台、上行气表数据、接收下行命令、断电的使用模型，NB-IoT模组的通信功耗占到了整机功耗的21%，平均一次完整数传过程耗时约20s，而NB-IoT模组的实际数据收发有效时间在5s以内，约75%的时间段被消耗在驻网阶段。而驻网阶段由于有AS/NAS层的数据交互，大量功耗被消耗在驻网过程中;并且在驻网成功后，MME与UE中均保存有驻网上下文信息，比如驻留小区信息、GUTI、T3324、T3412等，可充分利用上述已存在的上下文信息以及TAU间隔，实现中间过程断电或PSM恢复，整个业务流程符合3GPP标准协议流程。

具体实现过程如下描述：

步骤1：首次开机驻网判断成功后启动业务数据传输

步骤2：传输结束之后进入Idle态，保存相关网络上下文，并计算下次传输时间Ttransmit，考虑到计时偏差，终端需预留一定阈值间隔Treserved以防止由于双方时间不同步导致的网络端超时，需要满足条件Ttransmit < T3412+Treserved;断电或进入PSM状态，其中T3412为TAU更新间隔。

步骤3：在Ttransmit时间点，MCU唤醒模组，模组恢复网络上下文，发起控制面数据发送请求，网络接受后完成数据收发。

重复步骤2-3。

参考文献：

[1]吴正平 基于 NB-IoT 智能水表抄表系统设计与实现[J]. 传感器与微系统， 2019（38）.

[2]邵泽华 NB-IoT通信技术在智能燃气表的应用[J]. 煤气与热力， 2019（5）.

[3]胡莽. NB-IoT 无线远传智能燃气表的设计与研究[J]. 中国燃气运营与安全研讨会， 2019（8）

[4] 黄双峰. 基于NB-IoT通信的无线远传燃气表设计[J]. 煤气与热力， 2018（8）