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智能远程抄表系统的设计赵小明

发表时间：2021/5/24 来源：《基层建设》2021年第2期作者：赵小明

[导读] 摘要：新经济常态，人们的生活水平持续增长，人民对生活质量的要求越来越高。

        杭州余杭环境（水务）控股集团有限公司浙江杭州 311100
        摘要：新经济常态，人们的生活水平持续增长，人民对生活质量的要求越来越高。随着我国城镇建设的快速发展，有关城市的水，电，气，暖表的管理和抄表出现的问题也日益突出，根据自来水网的改造，智能小区的建设以及实施"一户一表"工程将成为今后的发展趋势。
        关键词：智能远程抄表系统；设计；策略
        引言
        传统的抄表工作需要工作人员到各个小区进行记录，所以工作人员会进行重复抄表活动，这样一来大大增加了抄表工作人员的工作量，企业也需要招聘更多的抄表人员来进行抄表活动，所以这在一定程度上会影响企业经济的发展。
        1系统方案设计
        1.1NB-IoT通信技术
        NB-IoT属于LPWAN的授权频段的技术应用，根据规定工作在500MHz～1GHz。在实际工程应用中采用了超级电容以及PSM等节电技术，NB-IoT的使用寿命超过了10年，能够满足远程抄表对长距离数据传输以及低功耗等方面的实际需求。NB-IoT技术采用的调制方式可以保证数据的重传与比对，有效提升了数据通信的可靠性。NB-IoT远程抄表与目前其它的数据通信方式对比具有显著的优势。
        1.2系统架构
        远程抄表的对象就是在空间分布较为分散的各种水表、电表等仪表（多为智能仪表，传统的机械表可以采用转换仪器实现智能化数据输出）。因为仪表一般都处于较为隐蔽的场所，所以在传输过程中信号会产生额外的损耗。同时，由于仪表位置与接收终端位置的水平高度不同，信号传播也会产生一定的损耗。根据测算，数据传输过程中产生的总体损耗一般会达到20dB左右，因此在远程抄表中要充分考虑到现实的问题，远程抄表系统架构如图1所示。

        图1 远程抄表系统架构图
        2智能远程抄表系统设计策略
        2.1系统硬件设计
        STM32主控制器通过其引脚与各个模块进行连接，使各模块协调工作，实现系统功能。显示模块用于显示NB-IoT集中器所处环境下的温湿度、时间参数、电量、BC95模块的信号强度等信息。BC95模块主要实现集中器和云平台之间的通信，进而实现应用管理平台的数据采集和命令下发。报警模块用于实时监测智能水表是否被偷水或者漏水，如有偷水或漏水，报警模块进行报警，并向应用管理平台上传报警信号，以便维修和处理。存储模块用于存储采集水表的数据信息。温湿度传感器模块主要检测集中器所处环境温湿度，防止集中器处在恶劣环境下而损坏。电源模块分别为STM32，BC95、数据采集等模块分片提供电压，以保证模块正常工作和系统的低功耗运行。
        2.2系统软件设计
        集中器主程序由采集数据、发送数据、数据接收、定时、低功耗运行等主要功能组成。系统通电以后，首先进行初始化工作，初始化工作完成以后，STM32主控制器进入待机模式，待采集时间到，主控制器被唤醒，把采集的表编号、表读数、系统时间存储到FLASH中。如果此时距设置的上传时间点小于120s，主控制器待上传时间到，把FLASH中的水表数据通过BC95模块实现上传，若距设置的上传时间点大于120s，主控制器进入待机模式，待上传时间到，主控制器被唤醒，把FLASH中的水表数据通过BC95模块实现上传。在上传水表数据的同时，主控制器把集中器运行状态数据如系统时间、温度、湿度、电池电压、控制器电压、信号强度等信息通过BC95模块一起上传，从而可以及时掌握集中器的运行状态。待集中器把运行状态数据和水表数据上传完成以后，主控制器上传一条指令到云平台，云平台收到数据会采取订阅的方式通知应用管理平台，询问是否有下发命令：如果有，命令下发到平台，然后立即下发到集中器，主控制器进行处理，如果没有，主控制器进入待机模式，集中器实现低功耗运行。
        3智能远程抄表系统关键技术
        3.1工作模式
        NB-IoT占用了180kHz的频谱带宽，在实际使用过程中可以采用独立部署、带内部署以及保护带部署的方案。不同的部署方式，信号的抗衰减能力也有不同。NB-IoT的工作模式是采用半双工模式进行信号的核验，判断基站与终端之间的数据传输是否准确。系统采用半双工的工作模式就是为了适应远程抄表必须具备的低功耗特征。系统在TypeA以及TypeB两个不同的模式工作，通过在两个模式进行转换可以使得系统具有较长的时隙，以保证信号传递的可靠性进一步加强。同时，不同模式之间可以通过跳频技术进行载波起始位的有效重新存储以及随机存取的前导。
        3.2信号接入
        采用NB-IoT技术实现对居民小区的仪表信号接入方式上可以采用基于竞争的信号随机接入，也可以采用非竞争的窄带信号随机接入方式。在信号连接过程中需要将NB-IoT设置为容许信号延迟，以满足仪表数据读入的时延问题，实现数据的同步传输。NB-IoT终端接收到基站的指令时，终端自动完成时延，基站连接释放，NB-IoT终端进行数据的保存。通过这样的延迟方式，避免了终端在每一次数据接收时的重复唤醒，有效降低了NB-IoT终端的模式切换时的数据交换量，降低了系统的功耗。
        3.3数据传输
        NB-IoT终端完成数据采集后，需要将数据传输到基站，再经过基站传动到系统数据库或者指定的终端显示上。由于终端在同一时刻只能使用一个固定的载波进行数据传输，因此通过多次数据传输进行信号的鉴别，以有效降低数据传输的错误率，避免信号不正确的传输。在数据传输过程中，最为重要的就是对各个仪表的所在小区的位置确定，也就是小区搜索。小区搜索中采用x（n）表示通信基站发送的OFDM信号，r（n）表示终端的接收信号，数据远程传输的信道特征函数为h（n），将信道中的干扰（主要是高斯白噪声）定义为w（n），则数据的传输特性公式为：

对信号进行NPSS同步，并消除同步脉冲信号，采取IDTFT进行变换，得出输出信号的频域表达式为：

利用互相关函数对NSSS进行检测，从Ri（k）中进行频域采样，检测用的频域点越多，则检测的准确度越高，但是也会给系统的传输带来延时。采用互相关函数进行小区搜索可以有效提升工作效率，降低系统的硬件设备成本。本设计中构建的互相关函数为：

        结语
        基于NB-IoT智能水表抄表系统，能够稳定地将采集的水表数据和集中器的温湿度等状态信息传输到应用管理系统，实现远距离传输，在集中器位于楼栋信号不好的位置，系统也能保证通信的稳定性。能够更好地解决传统水表抄表系统的传输距离短、覆盖范围小、穿透力不强、数据传输稳定性差等问题，具有很强的实用性。一旦该系统运用到供水行业，能实现供水公司对水表数据实时监控以及智能化管理。
        参考文献：
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        ［2］石跃祥，钟喆，李锦泓．一种新型智能水表抄表系统［J］．物联网技术，2014（6）：16－18．
        ［3］汪银芳，马世伟．一种基于ZigBee的无线抄表系统研究与设计［J］．测控技术，2013，32（1）：14－18，22．
        ［4］康文龙，计东．基于物联网技术的燃气表智能抄表系统设计［J］．传感器与微系统，2018，37（12）：108－110，118．
        ［5］杨俊．基于ARM+WiFi技术的远程抄表系统设计［J］．自动化与仪器仪表，2017（9）：87－89．