基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统设计研究

摘要：抄表工作在电力以及供水企业等基本工作当中占据重要位置，其工作质量对企业经营管理以及服务质量产生直接影响，在企业生产和经营中发挥着关键作用。传统的抄表工作多以人工一户一表的方式进行，不仅耗时耗力，其实时性也比较差，并且还存在管理繁琐的问题。本文以基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统设计为研究对象，结合实际需求和相关设计经验，对智能抄表系统开发设计原则进行梳理分析，然后列举了基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统总体功能设计和系统硬件设计，最后总结了基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统测试内容及测试结果，期望可以为智能抄表系统设计工作的开展提供更多的思路。

关键词：NB-IoT;STM32;智能抄表系统;水量监测

1 前言

近年来，人们的生活水平实现了质的飞越改变，在这样的时代背景下人们的用电量、用水量以及用气量都持续上升，相应的水电气抄表工作任务量剧增，传统的抄表工作多以人工一户一表的方式进行，不仅耗时耗力，其实时性也比较差，并且还对物业管理质量以及住户服务体验造成明显的负面影响。已经无法满足现代化的物业管理需求。随着信息技术的快速发展，充分利用互联网技术以及物联网技术优势的智能抄表系统，正在全面代替传统人工抄表方式。

NB-IoT为Narrow band Internet of things的简写，可以将其翻译为窄带物联网，这一网络技术得到广泛应用，主要是因为这一技术具有成本小、功耗低、容量大以及覆盖广等突出优点，可以确保海量物联设备都有效接入，并且还可以突破地形的限制。将NB-IoT通信技术应用至智能抄表系统设计工作中，可以有效提升数据收集方式的准确性以及高效性，在进行数据传输时还能够有效抵抗各项干扰，为数据管理的公开透明性提供保障。基于NB-IoT和STM32设计的职能抄表系统，可以对水电气三表数据进行实时采集，同时还能够提升抄表效率以及降低抄表成本。

2 智能抄表系统开发设计原则

智能抄表系统主要是指在避免人工干涉的情况下，在机房中直接获取水电气表的实时数据，同时将数据传输至管理端，其应用可以明显提升用电用水用气管理水平，并且也符合如今自动化办公的要求。智能抄表系统不仅有助于实时查看水电气表数据，还能够对变压器等相关设备进行监视，这一系统主要具有节约成本、数据准确以及时效性等特点。水电气表的数据采集以及数据值与相关企业的人员配置以及企业经济收入具有明显的正相关关系，因此只有保障了抄表系统的优秀性，才能够为企业实现现代化管理提供保障。在设计智能抄表系统时，不仅要确保其满足水电气企业的自身建设以及管理需求，还应当遵循系统的实用性原则、先进性原则、安全性原则以及可靠性原则等。实用性原则主要是指在进行智能抄表系统开发设计时，一定要充分结合企业的实际需求，保障企业的数据流入和流出，确保可以完整实现系统预期功能，又要节约资金以及简化算法。先进性原则主要是指在设计过程应吸收前人优秀的研发经验，还应当将超前的先进技术适当融入其中，既要考虑管理者的使用习惯，还应当考虑到今后更新换代的需求。系统一般具有良好的软件和硬件兼容性，可以對未来可能发生的变化进行适应，为今后系统修改、优化和升级提供便利。在信息共享明显提升的同时，信息安全问题引起越来越多人的关注，如果水电气抄表数据发生泄漏，会严重干扰到企业正常的生产经营活动，导致企业蒙受巨大的经济损失。因此，在设计智能抄表系统时，应当根据不同的访问群体设置相应的用户权限，确保系统安全性。智能抄表系统的可靠性主要是指，确保系统可以长时间运行以及达到快速解决系统故障的目的。

3 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统总体设计

基于NB-IoT和STM32智能抄表系统可以对大量水电气表相关用量数据进行集中化的抄读，避免了一对一入户抄表的繁杂性，电源属于这一系统中不可缺少的重要连接部分，而具体功能的实现则需要依靠电子水表、主控制器、云平台、移动客户端以及NB-IoT模块等发挥各自的功能，并且还要将这几个组成部分通过合理的设计工作串联成一个完整的系统（如图1所示）。借助窄带物联网技术而设计的智能抄表系统的主控制器为STM32L476，这一控制器具有性能优良以及成本低的特点，并且对于各种嵌入式开发具有广泛的适应性。另外，STM32L476主控制器还具有超低功耗的优点，因此可以满足不同类型的便携式设备。电子水表主要是用于计量用户的水量使用数据，RS485电子水表具有广泛的应用范围，并且具有专属的通信接口，在其通信接口的支撑作用下，可以有效通信STM32 MCU。之后，系统当中的主控制器会下达相应的指令，电子水表不仅能够响应指令，还能够支撑进一步的数据传输。系统当中的窄带物联网通讯模块可以将电子水表采集的数据传送到移动云平台，相关工作人员以及管理人员可以实时查看移动客户端或者PC端的用户数据。基于NB-IoT和STM32智能抄表系统中STM32L476主控制器所具有的功能重要性不容忽视，在进行设计工作中应当充分发挥主控制器接收处理存储相关计量数据的功能，并且还应当发挥其为云平台上传数据的作用。另外，所设计的系统的主控制器还应当为接收和响应客户端指令服务。

4 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统硬件设计

硬件属于智能抄表系统设计工作中的重头内容，一般情况下其硬件设计主要涉及主控制器、电源、电子水表以及通讯模块，而依靠NB-IoT和STM32所设计的硬件中的通讯模块则是以NB-IoT通讯模块为主，每一部分硬件设计工作都不容忽视。系统当中的不同硬件承担的功能具有明显差异，但是每一部分都不可或缺，简单来说系统当中的主控制器的功能主要是完成采集控制和数据处理工作，同时还具备封装数据传至NB-IoT通讯模块的功能，一般选择STM32作为主控制器。电子水表也是系统当中必不可少的硬件之一，并且水表还应当具备相应的通信接口，在部分设计方案中选择RS485电子水表，其具备一个RS485通信接口，可以与主控制器进行有效连接，主要通过RS485通信方式。为了确保整个系统工作的稳定性，应当确保电源模块供电的稳定性。现阶段，已有许多科研院校注重智能抄表系统设计工作，并取得可喜的设计应用成果。

4.1 主控制器电路、NB-IoT模块电路、水量计量采集电路设计

（1）以某一依靠NB-IoT和STM32开展的智能抄表系统设计工作为例，在其所设计的系统中选择具有超低功耗的STM32L476作为系统主控制器。另外，其电源和采集芯片也采用低功耗芯片。（2）NB-IoT通讯模块设计属于这一系统的重点设计内容，该系统主要选择了BC95模块、天线、专用物联网卡插座等，这几部分发挥着不可或缺的功能，其中最重要的射频模块便是BC95模块，其主要承担着为连接NB-IoT基站服务的功能，并且在接收计量数据以及上传数据等方面也发挥着关键作用。（3）水量计量采集模块的设计直接关系到数据采集的准确性，对于最终抄表数据的准确性产生决定性影响，本文中所提到的智能抄表系统主要是结合了高精度电子水表对转换水量数据进行精准计量和精确标定。

4.2电源模块电路设计

在进行智能抄表系统电源设计时，应当充分考虑其对于系统正常工作所产生的直接影响。另外，在设计工作中不应当仅仅最求先进技术的应用，还应当注重系统的使用体验，确保所设计的硬件系统在安装时具有简洁性，同时还应当确保所设计的系统具有低功耗的特点，将主控制器、电源、NB-IoT模块、RS485电子水表这几部分进行有效连接融为一体。

系统供电时离不开主控制器、NB-IoT模块以及电子水表这3个硬件部分，并且设计过程应始终对布线供电成本还有复杂性等进行综合考虑，吴应雨等所设计的系统在稳定电压时主要是选择电池以及LM2596集成芯片，在为系统的NB-IoT模块进行供电时，需要进行转压处理，这一过程可以选择COMS稳压调节器。在主控制器软件设计过程通信协议占据重要位置，RS485通讯协议主要应用在主控制器与RS485电子水表之间，在进行通讯时主要是依靠Modbus RTU 传输方式，将传输波特率设置为9600bit/s。

4.3 云平台对接以及移动客户端设计

（1）智能抄表系统中的云平台主要是对数据进行转发，同时也兼具调试NB-IoT 模块的功能。在进行系统设计确保NB-IoT模块、云平台、移动客户端这三部分可以有效对接，应当先建立NB设备，同时还应当将其对应的唯一识别码IMEI号进行绑定，依靠移动客户端与设备进行直接连接，在进行身份验证连接时则主要依靠平台生成的唯一注册码，由此可以实现上述三部分的有效对接。（2）可以设计移动客户端实现智能抄表系统数据的可视化，本文中所提到的吴应雨等基于NB-IoT和STM32设计的的智能抄表系统的移动客户端的开发环境为Android 4.0，系统开发过程主要是以JAVA语言为主，设计过程所遵循的设计风格为 material-design。智能抄表系统中移动客户端主要为实时查询用户水量存储而服务，在兼具较高实时性的同时还具有服务智能化的特点。

4.4 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统测试情况

基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统测试内容主要包括水量数据采集测试以及水量数据上传功能测试等。对基于NB-IoT和STM32设计的的智能抄表系统以及基于 NB-IoT 设计的智能水表抄表系统[6]测试结果进行分析，此类智能抄表系统经过测试，硬件以及软件系统可以有效结合，可以实现电子水表水量数据查询、存储以及时段水量准确高效查询等功能，满足智能抄表系统的各项应用需求，进一步提升抄表工作的便捷性，减轻相关工作人员的抄表工作以及管理工作负担，为供水公司智能管理的实现提供可靠支撑。

5 结语

综上所述，智能抄表系统的设计与开发有利于传统抄表工作的彻底改革创新，提升抄表工作的及时性、准确性以及高效性，为现代化物业管理的实现提供保障。基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统的设计、开发与应用，可以明显改善传统抄表方式所具有的弊端，并且实现抄表过程的低功耗、广接入以及强覆盖，在设计过程应当遵守遵循实用性原则、先进性原则、安全性原则以及可靠性原则等智能抄表系统设计原则，结合企业实际需求对系统硬件以及软件进行科学合理的设计，以此来促进智能抄表系统的进一步普及以及相关行业的智能化发展。

参考文献：

[1]李帅.基于NB-IoT智能水表抄表系统设计与实现[J].信息与电脑（理论版），2021，33（11）：94-96.

[2]黄钰.智能远程抄表系统软件的设计与实现[D].电子科技大学，2020.

[3]朱珠.基于LoRa的智能电表抄表系统设计与实现[D].佛山科学技术学院，2020.

[4]张得龙，李燕，刘国亭，左仲善.窄带物联网技术在智能抄表系统中的应用研究[J].科学技术创新，2018（13）：60-61.

[5]吳应雨，陈运雷，葛知著，刘紫燕.基于NB-IoT和STM32的智能抄表系统设计[J].自动化技术与应用，2020，39（12）：59-65.

[6]吴正平，张兆蒙，李东，颜华，尹凡，马占稳.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（11）：93-95.

作者简介：石巧云（1981-），女，汉，安徽宿松人，讲师，硕士，嵌入式产品开发与教学研究。

课题基金项目：2021年横向课题——基于NB-IoT物联网的智能水表流量计量系统研究;2020年安徽省质量工程项目（2020mooc034）。