颜莉莉
福建省供电服务有限责任公司，福州
摘要：本文阐述了NB-IoT的应用特色，基于NB-IoT模块进行了远传用电信息采集系统的硬件和软件设计。经过实际产品验证，本文设计的远传用电采集系统能够实现用电数据通过NB-IoT方案上报到数据平台的功能。
关键词：物联网，NB-IoT，远传，电力采集
引言
基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)，即NB-IoT，是新兴的物联网技术。NB-IoT从16年一经推出就备受关注，现已经具备了市场上全面铺设商用的条件。NB-IoT能够有效覆盖对网络连接要求较高的恶劣环境，支持的设备待机时间长、传输连接高效，电池寿命多以10年以上计，成本能控制在较低的范围。非常适合于要求持续自动传输数据、低功耗、长周期监测的应用场景。
将NB-IoT物联网应用在电力抄表系统，实现远传电计量和监控等功能，不用入户就可以知道电表的运行状态，可以为用户带来极大的便利。
1NB-IoT简介
1.1技术起源
2016年，华为率先提出了窄带技术NB M2M，而后与高通、爱立信等公司的方案融合，演进成了NB-IoT。2018年6月，NB-IoT核心协议标准在3GPP获得通过，经过多次讨论，已成为了目前被全球广泛接受的全新窄带物联网技术标准，是技术演进和市场竞争的综合产物。从接入网络上看，由于NB-IoT是在LTE技术（3GPP Release 13）基础上发展起来的，其主要采用了LTE的相关技术，也针对自身特点做了相应的修改。当NB-IoT与LTE并存部署时，下行链路上的NB-IoT和LTE可以做到互不影响。[2]
1.2主要特色
1.2.1低功耗
NB-IoT的终端模块待机时间都是按10年以上设计，这主要得益于NB-IoT引入的eDRX省电技术和PSM省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间。[3]
在PSM模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。[3]
eDRX省电技术则是进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。
1.2.2低成本
对于物联网终端使用NB-IoT，大部分场景是静止的，如智能抄表，这样可以降低协议的复杂度，同时降低模块成本。更低的模块成本一直是NB-IoT推广的主打优势，最早的预期中，认为单个通信模块若低于5美元，将有效刺激NB-IoT的大规模发展。如果成本降到1美元以内，则会带来爆发式增长。
1.2.3大容量
NB-IoT可以部署在2G/3G网络，一个扇区能够支持10万个连接，比现有网络连接数高 100倍。支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。提供的连接多，可以有效缩减基站的数量，节省成本。假设全球已有约500万个物理站点，所有站点部署NB-IoT，每站点三扇区，共计可接入终端数将达4500亿个。
1.2.4广覆盖
NB-IoT提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，比现有的LTE和GPRS基站提升了20dB的增益，相当于提升了100倍的覆盖区域能力，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。平面范围上，一个NB-IoT基站可以覆盖10Km的范围。
2系统硬件设计
2.1电表选型
为快速迭代，过渡时期的产品设计，目标使用已有的成熟电表产品。初步选用485电表，在其硬件485接口与软件ModBus协议上都已有批量成熟的配合应用，开发速度快、风险小。
2.2供电电源设计
为有效将NB的低功耗、低成本等优势都发挥出来，硬件设计上，考虑兼容AC供电与电池供电两种方式。注意此处描述的两种应用场景，指的是实际产品量产时只取其中一种，而非主备关系。
2.2.1AC供电
选型AC-DC模块，注意点如下。
1）外围电路设计时，需要兼顾安规设计。
2）供电时，如果是三相电，要兼容接其中一相即可。
3）体积要小，需要满足导轨壳的安装要求。
因为BC95的供电要求范围是3.1V-4.2V，所以AC-DC输出5V后，还需要另外设计5V转3.6V的LDO。
2.2.2电池供电设计
选型常用的锂原电池，3.6V供电。为满足10年使用，选型型号ER26500，容量为8.5Ah。在电池包组合的选型上，另外还考虑了配合超级电容，以避免当NB在发送时，电压跌落造成异常。
2.3MCU最小系统设计
意法半导体公司的STM32系列芯片，以ARM Cortex-M3为内核，其成本低、功耗小、性能强大[4]。选型型号STM32L071CBT6。
在硬件设计上，MCU最小系统主要关注模拟三要素：电源、时钟和复位。
1）为了尽可能与BC95兼容性好，设计3V的LDO供电，滤波电容按参考电路放置。
2）时钟采用32.768KHz外围晶体，作为MCU的LSE使用，主要目的是提供网络授时同步后的RTC参考时钟。
3）复位即常规的阻容上电复位。
2.4NB模块相关电路设计
在关键的NB模块上，考虑到开发过程的成熟度和兼容性，选型移远的BC95。此处对BC95的相关电路做设计。
2.4.1供电电路
虽然BC95自带PSM模式，但考虑到更可靠的功耗控制以及模块状态控制，此处设计MOS管电路进行电源控制。按照规格书要求，在靠近NB模块的引脚出，需要加足够的电容进行滤波。尤其注意100uF的大电容不能少，此处选用钽电容，虽然成本较高，但要兼顾各种恶劣环境以及高频谐波滤波效果好。
2.4.2UART通信
按照规格书要求，BC95的UART为2.8V电源域。为控制成本与减少失效可能性，此处按精简电路思路，仅在在MCU与BC95的连接线路上增加1K的串接电阻。当MCU和BC95各自进入低功耗时，如果电平不匹配，是有可能在串阻上漏电造成功耗增加，软件设计上需要注意。
2.4.3ESIM卡设计
从NB的角度看，一旦投入使用，往往就意味着恶劣的环境要求与长期的使用年限。为保证硬件稳定性，设计了SIM卡座和板载ESIM卡两种方式，量产时将默认使用ESIM卡。
2.4.4天线设计
天线需要结合产品做专门的调试。考虑到电表内部的环境较复杂，如果是AC供电，受电力供电电源干扰的可能性很大，在结构考虑上需要充分避让。综合评估后，决定在电路板上设计I-PEX座，然后通过I-PEX转SMA线将天线引出壳体外。
3系统软件设计
3.1软件设计关键技术点
3.1.1频段需要注意
注意对应当前国内三大运营商，所使用的NB模块是不一样的。电信使用的是BC95-B5，而移动、联通使用的是BC95-B8。同理，在软件配置的时候，需要注意运营商不同则配置Band不同，避免网络附着异常。
3.1.2平台对接
BC95设计了CoAP和UDP两种协议都支持。在NB通信时，涉及到广域网的各种接口、数据推送，以及平台界面、参数等设计，则需要和主导此部分的客户做好充分沟通，避免信息脱节。
3.1.3功耗控制
上述在硬件设计上，已经描述了将兼容“AC供电”和“电池供电”两种模式。结合客户需求进行综合考虑后，设计思路确认为无论采用哪种方式，都要优先考虑功耗，关注如下：
1）被动通信。如前面提到，NB设计了eDRX和PSM，为了确保实现低功耗，这两大功能要求充分用到。这也决定了平台与设备端的交互必然是“被动通信”的模式，当设备进入休眠后，平台的数据将是无法送达的，只有当设备主动与平台交互时，才会发生数据的双向同步。在软件上，需要制定合理的规约，对设备休眠时平台发起却被“堆积”的配置等信息进行处理。
2）模式切换。在软件的主循环中设计了休眠、采集、上报三种模式。需要注意的是，如果模式切换时MCU和BC95的配合处理不当，则有可能造成漏电功耗高。因此有关模式切换的部分，在理论分析后，需要通过更精细的配置控制以及充足的实测验证来实现。
结论
本文以NB-IoT为核心，硬件上设计了MCU配合NB模块使用的的远传部分，与常规485电表对接，扩展形成远传电表采集。软件上设计了低功耗所需的几种工作模式以及业务流程，与平台对接上报数据。最终实现了通过NB-IoT在已有485电表上进行用电数据采集以及远传的功能。
参考文献
[1] 章欣.用电信息采集系统和智能电能表知识问答[M].中国电力出版社.2014.
[2] 解运洲.NB-IoT技术详解与行业应用[M].科学出版社.2017.?
[3] 史治国.NB-IoT实战指南[M].科学出版社.2018.
[4] 范书瑞,李琦,赵燕飞.Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2011.