基于NB-IoT 技術無線計費系統的設計研究

李中陽，黃君委，盧智穎，陳海棠

（浙江蒼南儀表集團股份有限公司，溫州325800）

為了解決環境污染問題，天然氣行業在我國政府的支持下，實現了快速發展。那些傳統的管理模式已經不適應或者約束了燃氣行業的發展步伐。而近些年興起的智能化、信息化、網絡化管理模式被廣大燃氣公司所接受和歡迎。特別是我國推出了“互聯網+”和“中國制造2025”戰略計劃之后，華為、中興和三大運營商等公司凍結了窄帶物聯網（NBIoT）核心標準[1]。又因NB-IoT 的功耗低、覆蓋范圍廣等特點，恰好解決了燃氣行業的易燃易爆和工商業燃氣表安裝位置差、或犄角旮旯或地下室信號弱等問題。因此，NB-IoT 技術被迅速地應用于燃氣行業的計量表具和計費管理系統。

1 系統整體設計

隨著我國物聯網的蓬勃發展，智能手機的快速普及，在城市燃氣的智能化、信息化、網絡化應用也迅速鋪開。本文研究的課題就是一種典型的應用案例。其應用NB-IoT 技術作為網絡數據傳輸的手段，將燃氣表具與計費管理平臺相連，實現了燃氣表的智能控制和自動貿易結算，通過它可以實現燃氣表的遠程開戶、無線集抄、空中充值、遠程控閥和遠程調價等功能。并結合當前發達的第三方支付體系，如微信、支付寶、網銀和信用卡等，可以讓燃氣用戶像購買其它普通商品一樣，動動手指頭就能用上天然氣。其系統架構如圖1 所示。

圖1 無線計費管理系統框架結構圖Fig.1 Framework structure diagram of wireless billing management system

本系統主要由物聯網燃氣表和計費管理系統組成。物聯網燃氣表主要包括NB-IoT 通信模塊、電子計量模塊、切斷閥和基表；計費管理系統主要包括計費模塊、采集模塊、基礎數據和第三方支付模塊等。而本文側重介紹物聯網燃氣表與計費管理系統的NB-IoT 技術和系統的計費模塊。

2 軟硬件設計

2.1 NB-IoT 技術

窄帶物聯網（NB-IoT）是物聯網領域一種新興的技術，它支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接[2]，也叫作低功耗廣域網（LPWAN）。它可以通過對現有4G LTE 系統的空口物理層及高層、 接入網及核心網進行改進和優化[3]，簡化結構和升級軟件程序來構建其網絡。其具有部署靈活、功耗低、覆蓋范圍廣、接入量大、成本低等特點。它既可以在LTE 頻帶外單獨部署，也可以在LTE 邊緣頻段部署，還能在LTE 頻段內部署[4]。其采用節能模式設計，對于實時性通信要求不高的設備，一般采用數據打包模式，將數據存儲在燃氣表中，然后每天定時上傳一次，使得終端設備99%時間都處于深度休眠狀態，功耗僅為15 μA，一節電池可以使用10 年，這是物聯網燃氣表選擇它作為無線通信網絡的重要原因。還有另外一個重要的原因就是NB-IoT 信號覆蓋范圍廣，它的MCL（最大耦合路損）可以達到164 dB，在GSM 基礎上覆蓋增強20 dB[5]，對于解決安裝位置較差的燃氣表的無線通信問題起到很大的作用。再加上網絡改造成本和終端芯片成本都比較低。因此，對于物聯網燃氣表有極大的誘惑力。

2.2 NB-IoT 通信模塊設計

物聯網燃氣表是一種具備物聯網功能的燃氣氣體體積計量器具，其主要包括無線通信、計量、閥控和貿易結算等功能。為了產品生產、使用、維護的方便性、通用性和靈活性，我司引進了模塊化設計理念，將各功能采用獨立模塊設計，其中通信功能也被設計為獨立的NB-IoT 模塊，與主板之間采用標準RS232 接口TTL 電平連接。

NB-IoT 通信模塊是燃氣表與計費管理系統的連接紐帶，其通過無線電波將二者實現通信。其主要包括NB-IoT 模組芯片、MCU、存儲器、DC/DC 轉換芯片、天線、SIM 卡等。其總體結構如圖2 所示。

圖2 NB-IoT 通信模塊總體結構圖Fig.2 Overall structure diagram of NB-IoT communication module

其整體采用低功耗設計，MCU 選用MSP430 低功耗芯片，可以支持電源完全切斷或處于深度睡眠（PSM）狀態。為了網絡通信協議兼容性更強，選擇了多模的中移物聯NB-IoT 模組M5311，其支持TCP、UDP、CoAP、LWM2M、HTTP、MQTT、TLS 等多種協議[6]，可以滿足不同的網絡需求。

一款優秀的物聯網燃氣表不僅僅有硬件支撐，更重要的是實現豐富的數據傳輸、遠程控制、物聯網等功能的軟件設計，如參數讀寫、無線抄表、遠程開戶、遠程充值、遠程調價、遠程控閥、遠程讀取價格信息、遠程修改系數等功能。雖然M5311 支持多種協議，但在該課題中為了通信的兼容性和穩定性，選用了TCP/IP 網絡協議[7]為無線通信主協議，通信模式采用主動上報工作模式，以通信模塊為Socket Client 端，計費管理平臺為Socket Server端，由設備端發起撥號鏈接，與服務端建立通信信道實現無線通信。NB-IoT 模塊無線通信流程如圖3所示。

圖3 NB-IoT 模塊無線通信流程Fig.3 Flow chart of NB-IoT module wireless communication

2.3 計費功能設計

互聯網購物、互聯網繳費已司空見慣，而物聯網購氣還是新興事物。本計費管理系統結合物聯網燃氣表的NB-IoT 模塊的無線通信功能，再加上無線通信過程中的加解密體系和第三方支付功能如微信、支付寶、信用卡、網銀等，實現了燃氣用戶的自助式物聯網購氣功能。其加解密體系采用3DES+MAC 加密方式[8]，MAC 算法是一種非對稱不可逆算法。計費系統和物聯網燃氣表通信之前，必須事先預置一組16 字節Hex 碼的密鑰和一組8 字節Hex 碼的加密因子，用于充值命令和應答命令的加解密。本系統在計費模塊中設計了離線充值和在線充值兩種模式。前者為用戶充值后，計費系統將用戶充值信息先存儲在費用結算數據庫，等下次建立無線通信時，計費系統會從數據庫讀取原先的充值信息并進行MAC加密，然后通過無線通道下發給NB-IoT 模塊，其接收到加密數據后，轉發給燃氣表的ESAM 模塊進行解密[9]和充值過程驗證及存儲，然后發送應答命令給NB-IoT 模塊，其響應給計費系統，從而完成整個購氣過程如圖4 所示；后者為用戶充值時，直接將充值信息加密后輸送到物聯網燃氣表，其它過程同上。

圖4 物聯網購氣流程圖Fig.4 Flow chart of internet of things purchasing

3 實驗結果

本課題設計的工商業物聯網燃氣表支持3 種供電模式：鋰電池供電、太陽能供電和外電源供電。太陽能供電與外電源供電性質一致，可視為1 種，即實時在線模式。因此，本實驗選用鋰電池供電和外電源供電2 種模式，分別對應了物聯網充值的離線充值和在線充值。

本實驗選用了10 臺物聯網燃氣表樣機、10 只本安電源、10 張SIM 卡，結合無線計費管理系統，分別進行了離線充值和在線充值實驗，每臺樣機每種充值方式各進行10 次。其結果如表1、表2 所示。

表1 離線充值實驗結果數據表格Tab.1 Data of offline recharge experiment results

表2 在線充值實驗結果數據表格Tab.2 Data of online recharge experiment results

由上表可知，兩次實驗的最終充值成功率為100%，效果非常好，達到設計預期要求。但無線通信傳輸數據過程中還是存在部分重發現象，由于無線通信本身不穩定、 數據丟包等情況和設備自身特性，也影響重發率的高低。重發率計算公式如下：

式中：R 為無線通信重發率，即補發次數與通信總次數比率；T補為補發的通信次數；T總為通信總次數。

根據上文表1、表2 數據代入式（1）得，離線充值重發率R離=6.5%，在線充值重發率R在=4.8%，從兩次實驗的重發率分析，在線充值的重發率略低，分析原因有兩點：

（1）供電電量足：在NB-IoT 模塊啟動無線通信撥號，需大功率電流放電，因此需要充足電源供電。外電源供電電量足，有源源不斷的能量給無線模塊供電，而電池相對而言，供電能力相對弱點。

（2）數據不擁堵：由于外電源供電同臺樣機的無線通信前后兩包間隔時間長，通信過程中數據串包機會少，計費系統處理數據時間充裕，數據并發處理概率也低；電池供電為了節約電能，兩數據包間隔時間相對短些，串包和并發概率略高。

因此，物聯網充值兩種模式都能滿足用戶需求，但從重發率角度上分析，在線充值的重發率更低點，有條件的用戶使用在線充值更理想。

4 結語

隨著網絡經濟的快速發展，物聯網充值計費是我國燃氣行業發展的必然趨勢。本課題研究的無線計費管理系統和物聯網燃氣表將會逐步取代傳統的基表和IC 卡表，其市場前景非常廣闊。對于NBIoT 技術的研究及在燃氣表中的應用和無線計費管理平臺的研發有著非常大的商業價值。