基于低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線通訊技術(shù)的配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)通信終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

隨著國(guó)家“智能電網(wǎng)”戰(zhàn)略的提出與推進(jìn)，各種類(lèi)型的傳感器被廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，以提高配電網(wǎng)的工作效率與運(yùn)行安全，大幅減少了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的人力物力投入。由于配電設(shè)備設(shè)施數(shù)量龐大、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備處于地下、半地下，且在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要有效的通信網(wǎng)絡(luò)支持，而原有的有線通信網(wǎng)絡(luò)部署成本高，可靠性、安全性較差，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)距離受限，這些問(wèn)題在一定程度上阻礙了配電物聯(lián)網(wǎng)的快速部署。本文針對(duì)這些問(wèn)題，引入了低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)（Low Power Wide Area Network， LPWAN），采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適用于配電網(wǎng)復(fù)雜環(huán)境的無(wú)線通信終端，支持各類(lèi)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

1 NB-IoT技術(shù)簡(jiǎn)介

低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)主要包括兩種主流技術(shù) ：一種是非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，主要有 LoRa，Sigfox，ZigBee 等短距通信技術(shù) ；另一種是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，主要采用 NB-IoT 技術(shù) [1]。非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)依靠用戶(hù)自身組網(wǎng)通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般呈星型結(jié)構(gòu)，基于非授權(quán)頻譜，通過(guò)兩級(jí)組網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)部署。而 3GPP 給運(yùn)營(yíng)商制定的物聯(lián)網(wǎng)解決方案即 NB-IoT，其主要技術(shù)特點(diǎn)為超窄帶、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議精簡(jiǎn)、可重復(fù)傳輸?shù)?，采用犧牲部分移?dòng)性、速度、時(shí)延等性能的方法，使其具有面向 LPWAN 物聯(lián)網(wǎng)的承載能力，優(yōu)勢(shì)是覆蓋廣、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。NB-IoT 基于授權(quán)頻譜、依托運(yùn)營(yíng)商豐富的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)， 使得網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性更高、傳輸安全性更強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)問(wèn)題易于解決，終端即插即用，降低了業(yè)務(wù)部署門(mén)檻 [2]。

NB-IoT 被設(shè)計(jì)用于低功耗 / 長(zhǎng)待機(jī)、深覆蓋、大容量、移動(dòng)性較弱的低速率業(yè)務(wù)。這些特點(diǎn)能滿(mǎn)足非實(shí)時(shí)的配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用，尤其適合靜態(tài)、非連續(xù)移動(dòng)和對(duì)時(shí)延并不敏感的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。目前已經(jīng)部署的應(yīng)用項(xiàng)目包括智能電表、水表、壓力表、流量計(jì)、水質(zhì)儀表、智能消火栓、智能井蓋等 [3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 通信終端總體設(shè)計(jì)

終 端 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 如 圖 l 所 示。 系 統(tǒng) 控 制 核 心 由STM32L152CBT6 及其外圍電路組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)控制與數(shù)據(jù)的處理、加密及與 NB-IoT 模塊通信。隔離型 485 通信模塊與主控連接，進(jìn)行 485 總線數(shù)據(jù)通信。存儲(chǔ)模塊通過(guò) I/O 總線與主控相連。NB-IoT 模塊通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)與管理中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)數(shù)據(jù)加密模塊實(shí)現(xiàn)加密通信。

2.2 MCU模塊

系統(tǒng)主控芯片采用意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)生產(chǎn)的超低功耗STM32L152CBT6， 這 款 MCU（ 微 處 理 器 ） 基 于 ARM Cortex-M3 內(nèi)核設(shè)計(jì)，擁有 128 KB FLASH 和 16 KBSRAM， 主頻率最高可達(dá) 32 MHz， 待機(jī)模式電流最低約 0.9 μA， I/O 數(shù)量為 37，可以支持的外設(shè)包括 Brown-outDetect/Reset， DMA，I2S，LCD，POR，PWM 和 WDT。外設(shè)通信接口包括 USB，USART，SPI 和 I2C，性?xún)r(jià)比高，適用于此場(chǎng)景。

2.3 NB-IoT模塊

NB-IoT 模塊采用上海移遠(yuǎn)通訊技術(shù)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的BC28。BC28基于華為海思芯片開(kāi)發(fā)，可支持的頻段為 B1/ B3/B5/B8/B20/B28，在 multitone模式下最大上行速率可達(dá)62.5kbps。BC28是一款性能優(yōu)越、緊湊、耗能較低的多頻段 NB-IoT無(wú)線通信模塊， 其尺寸為 17.7mm×15.8mm×2.0 mm，能最大限度滿(mǎn)足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求， 適合非實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備和通信終端。BC28 NB-IoT 模塊接口電路簡(jiǎn)圖如圖 2 所示。

2.4 數(shù)據(jù)加密模塊

為滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全認(rèn)證的應(yīng)用需求，選用上海動(dòng)信微電子公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 DX82 物聯(lián)網(wǎng)加密芯片，該芯片采用對(duì)稱(chēng)標(biāo)識(shí)認(rèn)證體系，同域設(shè)備間只需知道標(biāo)識(shí)即可完成相互的鑒別認(rèn)證和加密數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需建立復(fù)雜的密鑰管理中心，主機(jī)完成流程控制和數(shù)據(jù)傳輸，兼容接口標(biāo)準(zhǔn) I2C，SPI 協(xié)議。

每顆芯片均通過(guò) wafer 制造定制唯一的ROM SN 序列號(hào)，內(nèi)置 56 bit OTP 用戶(hù) UID，支持寫(xiě)入手機(jī)號(hào)、QQ 號(hào)等，不僅可以規(guī)范產(chǎn)品編號(hào)，方便生產(chǎn)、出貨、竄貨管理，同時(shí)也便于產(chǎn)品接入物聯(lián)網(wǎng)或者移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。64 bit 芯片配置有密鑰可對(duì)用戶(hù)進(jìn)行認(rèn)證，采用國(guó)際通用 SHA1 算法可實(shí)現(xiàn) Host Anti-Clone 認(rèn)證，密鑰長(zhǎng)度為 128 bit。DX82 物聯(lián)網(wǎng)加密芯片加密原理如圖 3 所示。

2.5 RS 485收發(fā)器模塊

RS 485 收發(fā)器模塊 ADM2587E 采用 isoPower 集成隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以設(shè)置在半雙工或全雙工模式下，封裝形式為 20 引腳寬體 SOIC，管腳可以兼容，工業(yè)溫度范圍為額定的工作溫度范圍（-40 ～ +85℃），同時(shí)具備 ±15 kV ESD 保護(hù)功能的集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，非常適合在多點(diǎn)傳輸線路上進(jìn)行高速通信。該器件為均衡傳輸線路而設(shè)計(jì)，符合 ISO 8482 ：1987（E） 和 ANSI TIA/EIA-485-A-98 標(biāo) 準(zhǔn) 。它采用來(lái)自 ADI 公司研發(fā)的 iCoupler 技術(shù)，在單個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)三通道隔離器、一個(gè)isoPower DC/DC 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)差分輸入接收器。該器件采用5 V/3.3 V 單電源供電，實(shí)現(xiàn)了完全集成的信號(hào)和電源隔離RS 485 解決方案，滿(mǎn)足該通信終端的需求 [4]。ADM2587E 電路如圖 4 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 MCU底層配置

為實(shí)現(xiàn) MCU 與 NB-IoT 通信、加密和其他模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的加密和傳輸功能，在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上將需要用到的庫(kù)函數(shù)和相關(guān)配置文件添加到指定位置，之后配置中斷控制器、系統(tǒng)時(shí)鐘、輸入輸出的 GPIO 以及相應(yīng)串口。需對(duì)照原理圖編寫(xiě)，根據(jù)芯片對(duì)各模塊進(jìn)行配置 [5] 。

開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建好后，開(kāi)始配置端口參數(shù)。首先設(shè)置串口傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?115200，字長(zhǎng)為 8 位，l位停止位，無(wú)校驗(yàn)位。在對(duì)串口初始化后，打開(kāi)串口的中斷響應(yīng)函數(shù)，完成串口配置。

中斷控制器的配置 ：開(kāi)啟 USART 全局中斷，使能串口再初始化。

3.2 通信功能的實(shí)現(xiàn)

通信功能的實(shí)現(xiàn)主要涉及 AT 命令和串口的讀寫(xiě)。AT命令是主控芯片 STM32 和 BC28 之間的通信協(xié)議，完成對(duì)BC28 的控制，串口命令是主控與傳感器之間的通信協(xié)議。

通信功能實(shí)現(xiàn)流程 ：

（1）系統(tǒng)初始化完成后檢查采集指令，若無(wú)采集指令則進(jìn)入休眠節(jié)電狀態(tài)，若有，則打開(kāi) I/O 采集傳感器數(shù)據(jù) ；

（2）數(shù)據(jù)采集完成后，與加密模塊交換數(shù)據(jù)并加密 ；

（3）加密完成后，檢查 BC28 是否正常開(kāi)通，若未正常開(kāi)通，則進(jìn)入等待，若正常開(kāi)通則啟動(dòng)通信 ；

（4）數(shù)據(jù)通信完成后，檢查是否有新的采集指令，這一過(guò)程循環(huán)進(jìn)行。

系統(tǒng)通信流程如圖 5 所示。

4 測(cè)試效果

終端開(kāi)發(fā)完成后，團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)電信的測(cè)試卡進(jìn)行了室內(nèi)和室外測(cè)試，分別將終端放置于地下電纜溝及地下室內(nèi)，同時(shí)接入溫度、濕度和局部放電傳感器進(jìn)行測(cè)試。采集和通信時(shí)間間隔分別設(shè)定為 10 s，60 s，300 s，對(duì)信號(hào)的穿透性、準(zhǔn)確性、一致性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，與其他無(wú)線通信方式（ZigBee，GPRS）相比，發(fā)現(xiàn)此終端在其他無(wú)線通信方式丟失部分或全部數(shù)據(jù)的情況下，仍保持較高的數(shù)據(jù)通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了高等級(jí)的數(shù)據(jù)加密，且耗費(fèi)電能更少。因此，本文提出的通信終端能很好地滿(mǎn)足配電物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)通信終端將STM32 作為主控芯片，結(jié)合 NB-IoT 芯片與加密芯片等，實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)的廣域網(wǎng)通信。經(jīng)多次對(duì)比測(cè)試，本終端具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，本設(shè)計(jì)采用了成本較低、適應(yīng)高壓電力環(huán)境的芯片和模塊，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯，在配電物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域極具推廣價(jià)值，將大幅減少電力系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。