基于NB-IoT模組燃氣表設(shè)計

樊超

摘 要：燃氣表隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)歷了多代的技術(shù)變革。本文介紹了燃氣表的通信技術(shù)演進和NB-IoT無線遠傳表的優(yōu)勢。首先介紹了遠程抄表的終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);其次對一款基于中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司出品的NB-IoT模組M5310-A智能燃氣表的整體設(shè)計思路進行了闡述，并且從采集、通信、電源、軟件實現(xiàn)等方面詳細介紹了燃氣表的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;燃氣表;M5310-A;通信模組

1無線通信智能燃氣表的技術(shù)現(xiàn)狀

隨著我國近年來大力發(fā)展清潔能源，天然氣消費水平快速提升。燃氣表也隨著行業(yè)的發(fā)展經(jīng)過了多輪的技術(shù)換代。第一代燃氣表是普通的皮膜式機械表，需要人工抄表。第二代燃氣表是IC卡預(yù)充值燃氣表，雖然解決了人工抄表但是燃氣公司不能實時監(jiān)控燃氣表狀況。第三代是有線傳輸燃氣表，基于RS485或MBUS總線等技術(shù)的遠距離抄表，但是施工難度大，線纜成本很高。第四代是無線遠傳燃氣表，這種燃氣表采用無線通信技術(shù)，有著方便、成本低等特點，越來越受到燃氣企業(yè)的青睞。

無線遠傳智能燃氣表也隨著通信技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了多個階段。主要包括：以zigbee、433Hz、藍牙等技術(shù)為代表的短距離局域網(wǎng)燃氣表和GPRS、NB-IoT、Lora為代表的長距離廣域網(wǎng)燃氣表。而NB-IoT技術(shù)是近幾年才出現(xiàn)的最適合燃氣表的傳輸技術(shù)。它具有功耗低、廣覆蓋、成本等特點，可以實現(xiàn)燃氣表流量信息的實時采集和閥門控制。

2架構(gòu)設(shè)計：

本文以使用中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司的NB-IoT模組為例介紹基于M5310-A模組的燃氣表應(yīng)用設(shè)計。該燃氣表選用低功耗STM32系列單片機做為主控器，通過電源管理芯片為其提供穩(wěn)定的電源，主控器連接按鍵、flash、LED顯示屏外圍接口電路。并且通過采集電路、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、閥門驅(qū)動電路與基表相連，實現(xiàn)抄表、溫濕度采集、閥門控制等功能。主控器通過串口與M5310-A模組相連，通過定時上報的形式實現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計總體框圖如下圖所示：

3測量電路設(shè)計

在本設(shè)計中，燃氣流量測量使用的是超聲波氣體流量計，該流量計主要利用四通道時差法對燃氣流量進行測量。主要工作原理是通過超聲波信號在燃氣管道中順流與逆流時的速度不同來間接測量燃氣的流速，從而換算出燃氣流量。在燃氣管道中氣體的流速與順逆流情況下超聲波到達的時間有關(guān)。本設(shè)計使用STM32通過SPI接口與TDC-GP22相連。TDC-GP22中的脈沖發(fā)生器可以驅(qū)動并產(chǎn)生超聲波，并通過時間差進行換算得出燃氣的流量。

4通信電路設(shè)計

燃氣表的通信單元主要由M5310-A模組、SIM卡、天線及外圍電路組成。主控器STM32單片機通過串口與M5310-A模組相連，通過二極管和電阻串聯(lián)的方式進行簡易的電平匹配，在發(fā)射狀態(tài)VBAT電源電流可達到500mA以上，為防止電壓跌落電源網(wǎng)絡(luò)需串聯(lián)47uF的去耦電容，并且為較好去除射頻串擾，還需并聯(lián)pF級電容提高VBAT網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)。

模組引腳RF端到天線饋點的射頻信號走線應(yīng)當嚴格控制為50歐姆阻抗。射頻線上的特征阻抗是指射頻信號在傳輸過程中，PCB線上的每個點對應(yīng)的阻抗。射頻線的阻抗設(shè)計盡量避免突變，因為突變的射頻線會導(dǎo)致射頻信號反射，從而影響射頻信號的質(zhì)量。射頻走線阻抗的設(shè)計通常使用仿真軟件進行仿真和設(shè)計。阻抗值主要與介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線寬、共面間距、銅箔厚度等因素有關(guān)。在阻抗仿真時需要選用PCB設(shè)計的模型，并填寫相關(guān)的布線和制程工藝參數(shù)。RF網(wǎng)絡(luò)上需要預(yù)留π形濾波電路，可以針對阻抗不匹配時進行調(diào)試。

5軟件低功耗設(shè)計

燃氣表由于對功耗要求很高，是典型的MAR-P業(yè)務(wù)類型。在本燃氣表的設(shè)計中設(shè)置上報間隔為24h，采用開機駐網(wǎng)、連接物聯(lián)網(wǎng)平臺、上行氣表數(shù)據(jù)、接收下行命令、斷電的使用模型，NB-IoT模組的通信功耗占到了整機功耗的21%，平均一次完整數(shù)傳過程耗時約20s，而NB-IoT模組的實際數(shù)據(jù)收發(fā)有效時間在5s以內(nèi)，約75%的時間段被消耗在駐網(wǎng)階段。而駐網(wǎng)階段由于有AS/NAS層的數(shù)據(jù)交互，大量功耗被消耗在駐網(wǎng)過程中;并且在駐網(wǎng)成功后，MME與UE中均保存有駐網(wǎng)上下文信息，比如駐留小區(qū)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間隔，實現(xiàn)中間過程斷電或PSM恢復(fù)，整個業(yè)務(wù)流程符合3GPP標準協(xié)議流程。

具體實現(xiàn)過程如下描述：

步驟1：首次開機駐網(wǎng)判斷成功后啟動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸

步驟2：傳輸結(jié)束之后進入Idle態(tài)，保存相關(guān)網(wǎng)絡(luò)上下文，并計算下次傳輸時間Ttransmit，考慮到計時偏差，終端需預(yù)留一定閾值間隔Treserved以防止由于雙方時間不同步導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)端超時，需要滿足條件Ttransmit < T3412+Treserved;斷電或進入PSM狀態(tài)，其中T3412為TAU更新間隔。

步驟3：在Ttransmit時間點，MCU喚醒模組，模組恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)上下文，發(fā)起控制面數(shù)據(jù)發(fā)送請求，網(wǎng)絡(luò)接受后完成數(shù)據(jù)收發(fā)。

重復(fù)步驟2-3。

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