基于NB-IoT的用电信息采集系统设计与研究

肖祖才

(贵州电网有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

0 引言

电力行业是我国经济的重要组成部分。电力行业的发展依赖于高效的电力系统。电力系统作为工业物联网的主要创新应用[1]，可以通过物联网技术将电网中的各种设备连接起来，从而形成智能电网。传统的电力信息采集主要依靠人工来完成，存在工作效率低的缺点，并且会导致劳动力的浪费[2]。为了智能化地采集用电信息，有必要建立基于窄带物联网(narrow band Internet of Things，NB-IoT)的智能电表网络。

对于这项工作，国外的电力行业比较早地开展了研究。欧盟依据《可持续的、竞争的、安全的欧洲能源策略》，要求所有成员国在2020年底的智能电表应用率达80%[3]。同时，意大利电力公司在2002年安装了大约3 000万台的终端电表，并搭建了电力的智能化网络[4]。而在美国，科罗拉多州已在2008年率先完成了智能电网的部署[5]。智能电网可以获取全部家庭的用电信息，用户可自主使用电力资源。国内的智能电表从20世纪90年代开始发展。目前，基于无线公网技术的终端电表充斥电力市场。但是由于成本过高，电力公司开始着力于发展自己的电力网络，以实现智能化的用电信息采集。中国移动、中国电信、中国联通三大电信运营商积极布局NB-IoT行业，发布了各自的NB-IoT商用计划[6]。国家电网公司也已经发布《电力用户用电信息采集系统系列标准》,用于规范整个市场环境[7]。

本文基于NB-IoT技术，对用电信息采集的终端电表进行研究：首先，分析了用电信息采集系统的架构；然后，对系统的硬件电路和嵌入式软件进行设计；最后，构建了各模块之间的逻辑处理结构。通过对整个用电信息采集系统进行功能测试，本文验证了终端电表的数据传输等功能。

1 NB-IoT技术概述

1.1 NB-IoT网络规划

NB-IoT基于第四代长期演进(the 4th generation long term evolution，4G LTE)技术的通信架构，以及低功耗和大连接的应用场景[8]，实现流程优化。NB-IoT的网络规划是通过空口连接到通信基站并由S1接口与核心网相连。LTE网络包含了S1接口、Uu接口等。电力业务的处理通常采用T6接口进行移动管理节点(mobility management entity，MME)和服务能力暴露功能(service capability exposure function，SCEF)模块之间的通信传输。这种方式传输的数据通常为非互联网协议(Internet protocol，IP)数据。通过对NB-IoT系统进行优化，可提高小分组数据的传输效率。

NB-IoT网络架构如图1所示。图1中，NB-IoT网络架构包括第三方应用服务器(application server，AS)、应用程序接口(application program interface，API)、蜂窝网服务网关(cellular serving gateway，C-SGW)和公共数据网网关(packet data network gateway，PGW)。从邻频保护和覆盖深度上考虑，本文采用1∶1的组网方式。该组网方式可达到99%的网络覆盖率。同时，为了应对同频干扰，NB-IoT增加了异频组网功能。

1.2 NB-IoT链路设计

NB-IoT的链路设计分为上行链路设计与下行链路设计[9]。下行链路设计采用正交相移键控进行调制，以正交频分多址的方式实现通信传输功能，传输速率在160～250 kbit/s之间[10]。本文研究的NB-IoT系统取消了下行通道链路。上行链路设计采用的是二进制相移键控调制方式，并利用单载波频分多址技术进行传输；同时，为了提高覆盖增强的效益，设置3.75 kHz的子载波间隔，传输速率在160～200 kbit/s之间[11]。为了降低系统的复杂度、减少终端的成本，其上行链路和下行链路都只保留了很少的物理信道与信号，并对物理信道引入了重传机制。NB-IoT的空口高层特性是利用简化后的长期演进(long term evolution,LTE)控制机制降低系统的复杂度[12]。

2 用电信息采集系统架构

2.1 系统总体方案设计

本文基于NB-IoT的用电信息采集系统架构，由终端电表、NB-IoT云平台、NB-IoT网络以及Web应用软件组成。NB-IoT网络实现电力授权的频谱组网模式，为整个运行网络提供通信保障。NB-IoT工作于频分双工长期演进(frequency-division duplex long term evolution，FDD LTE)、时分双工长期演进(time-division duplex long term evolution，TDD LTE)、时分同步码分多址(time division-synchronous code dvision multiple access，TDSCDMA)、宽带码分多址(wideband code division multiple access，WCDMA)、码分多址(code division multiple access，CDMA)、全球移动通信系统(global system for mobile communications，GSM)的工作频段。终端电表主要用于采集用电信息，以及通信命令的接收与执行。物联网云平台主要作为整体系统运行的中间桥梁。依托物联网云平台，可以将终端电表与Web应用软件连接起来。Web应用软件可实现数据用户的管理与数据可视化功能。总体而言，在不影响现有电力数据任务采集的条件下，扩展采集任务支持满足NB-IoT的用电信息采集系统新增的数据项目，如负荷感知数据、告警数据等。系统总体架构如图2所示。

图2 系统总体架构图

2.2 用电信息采集功能设计

本文设计的基于NB-IoT的用电信息采集系统的重点开发工作为终端电表部分。终端电表除了支持RS-485通信以及红外通信之外，内置的NB-IoT通信单元支持电能表通过NB-IoT与主站进行通信，完成数据的交互。其基本通信功能包括数据采集、数据处理与存储、参数设置、数据传输、终端维护等。用电信息采集功能依靠电能计量电路实现。电能计量电路由电流互感器、电压互感器和专用电能计量芯片组成。负载电流经过电流互感器转换成电流信号。该信号被传送至计量芯片中。专用电能计量芯片对电流值进行记录。当电压信号通过电压互感器时，滤波电路和降压电路会对其进行处理，并将其送入计量芯片中，以记录电压值。同时，电能计量芯片也会计算出有功功率等数值。用电信息采集与计量流程如图3所示。

图3 用电信息采集与计量流程图

专用计量芯片实现了高速模/数转换器(analog-to-digital converter，ADC)采样，采用磁隔离的通信方式实现计量芯片与主微控制单元(microcontroller unit，MCU)的高速数据交互。主MCU内置的负荷辨识算法对实时采集到的原始数据进行用电负荷辨识。用电负荷实时采集原理如图4所示。用电负荷实时采集功能借助电能表，通过负荷数据的采集、负荷特征的提取、数据交互、结果输出四个步骤，对用户各类用电负载情况进行实时监测与分析。

图4 用电负荷实时采集原理图

3 采集系统的软硬件设计与实现

3.1 控制和通信模块的设计与实现

主控制模块是终端电表中的设计重点，是整个电路的控制中枢，主要完成用电信息的采集与上报，以及电路命令的接收与执行。主控制模块由微控制器、温湿度传感器、降压稳压器、复位以及时钟模块等组成。主控制模块设计如图5所示。

图5 主控制模块设计图

本文设计的终端电表的微控制器采用美国德州仪器公司的MSP430F5438A微处理器模块，并通过STH20温湿度传感器完成温湿度参数的采集。STH20与微控制器MSP430F5438A的连接方式为主从模式，在温湿度测量后才与微控制器进行通信，实现数据传输。MSP430F5438A微处理器的输入电压为1.8～3.6 V。主控制器模块采用AMS1117-3.3芯片完成降压稳压电路的设计。

NB-IoT无线通信模块采用移远公司的BC95-B5通信模组。通信模组的接收频率保持在869～894 MHz，发送频率的范围是824～849 MHz。在该模组扩展嵌入式用户身份识别模块(embedded subscriber identification module，eSIM)卡接口等应用接口。模组内部有包含闪存和静态随机存取存储器(static random-access memory，SRAM)的程序存储器，以实现射频电路和eSIM卡座电路。NB-IoT无线通信模块的降压稳压功能由TPS62150降压转换器实现。转换器会自动并无缝地进入节省功耗模式。由于NB-IoT通信是带宽为180 kHz、15 kHz的子载波，所以同一个基站最多允许13个电表同时收发数据。因此，NB-IoT设备不能安装得太密集，否则会出现网络拥堵。另外，NB-IoT的时延比较高，大约为10 s。NB-IoT目前只有宏站，没有室分基站，所以地下室或者室内环境下可能无信号或者信号非常差。NB-IoT通信应用构件是主控芯片MSP430F5438A与通信模块eSIM的沟通桥梁，可以实现终端远程收发数据。在该构件内部，通过调用通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)基础构件实现主控芯片与通信模块的串口通信，进而将一条条分散的指令封装成带有独立功能的驱动函数。

本文在设计的单相终端电表印制电路板(printed circuit board，PCB)上增加了插针，用于固定通信模组，满足跌落要求。天线座配合电表上壳更换合适的物料，并且在PCB上实现eSIM卡的嵌入式开发。

3.2 终端嵌入式软件开发

软件开发流程如图6所示。

图6 软件开发流程图

终端嵌入软件采用美国德州仪器公司的代码调试器(code composer studio，CCS)作为开发工具。CCS的调试工具十分适用于混合信号处理器(mixed signal processor，MSP)系列的微处理器。CCS的编译环境也是针对MSP430系列的微处理进行编译优化。当按照功能特点对软件代码进行编程后，为方便进行单步调试和断点调试，本文选用联合测试工作组(joint test action group，JTAG)下载方式。

3.3 功能测试

当完成总体电路设计后，在搭建系统测试平台时，本文使用1台基于NB-IoT通信的终端电表与计算机进行功能测试。主要测试目的是对该终端电表的数据传输功能进行验证。验证使用了申请定向IP的服务器。该服务器在收到数据后会将数据反馈给终端。服务器和终端间基于用户数据报协议(user datagram protocol，UDP)通信。数据收发测试步骤包括：①创建UDP信道；②通过UDP信道发送数据并查询模块所处工作状态；③通过UDP信道接收数据；④关闭UDP信道。通过对终端电表进行验证，表明终端电表可以快速入网并发送、接收数据，具有较好的数据传输实时性。

4 结论

本文通过对终端电表的位置查询需求和信息采集需求的分析，研究了基于NB-IoT通信的用电信息采集系统。首先，本文阐述了当前国内外用电信息采集的现状。然后，本文结合NB-IoT技术，对终端电表进行智能化组网，阐述了用电信息采集系统架构和设计。系统采用MSP430F5438A微控制器作为主控模块的核心、BC95-B5通信模组作为无线通信模块，对硬件电路进行设计与实现。在嵌入式软件设计中，本文设计了各模块之间的逻辑处理结构和流程。最后，本文对整个用电信息采集方案的设计进行功能测试，验证了终端电表的数据传输、网络接入功能。在后续的研究中，本研究可以设计加入安全加密模块，以实现对数据进行加密传输，对接入进行认证，从而保证传输的加密性。