基于窄帶物聯網RTU管網終端的設計與應用*

石英春, 陳春陽, 羅 嶼

(1.中南大學 交通運輸工程學院,湖南 長沙 410083;2.湖南信息職業技術學院 電子工程學院,湖南 長沙 410200)

0 引 言

隨著物聯網技術的飛速發展和智慧水務建設的迫切需求,水司管網的監測設備已經逐漸取代了機械式計量和顯示,應用到監控系統中。常用的水管網監測設備主要有壓力計、流量計、水質監測儀等設備,它們主要靠人工隔一段時間去抄讀,不僅工作量大,而且抄讀的數據不及時,無法達到對管網問題及早發現和處理的目的。而目前采用較多的智能化管網監控設備,利用數據集中器抄讀對應的RS—485或M-Bus設備數據信息,通過以太網或通用分組無線業務(general packet radio service,GPRS)方式傳輸到主站系統,這種傳輸方式需要集中布線,覆蓋范圍小,增加了建設和維護成本,窄帶通信技術的遠程終端設備(remote terminal unit,RTU)管網終端技術,相比現有以太網或GPRS通信技術,具有大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗等特點,能夠滿足水司管理的需要,成為管網智能化發展的主要趨勢[1,2]。

本文提出的基于窄帶物聯網RTU管網終端,通過采集模塊采集管網監測設備的數據,它兼容了RS—485和M-Bus兩種物理通信接口,使通用性更強,并采用了通道選擇方式,降低微處理器的硬件端口資源;采用支持全網通的窄帶物聯網(narrow band Internet of things,NB-IoT)通信方式,滿足客戶的個性化需求。將采集的管網監測數據及時通過基站傳輸到水司部門后臺服務中心,有利于管網設備數據的維護和管理,為后續的漏水分析提供依據,降低水資源的浪費,提高了水司的管理水平。

1 系統總體設計

自來水管網設備用來對供水主管道的水壓力、瞬時流量、累計流量、水質pH值、狀態信息進行數據采集、保存、顯示。這些設備一般都預留上行通信傳輸接口,包括M-Bus方式、RS—485方式,物聯網RTU終端首先采集管網設備的相關信息,通過NB-IoT傳輸方式,連接到基站,傳輸到對應的云服務平臺。本設計采用支持電信的通信模組,上傳到天翼云平臺,用戶通過后臺管理系統,調用天翼云平臺的數據,采集到的信息通過前臺界面顯示。具體的整體框架結構如圖1所示。

圖1 系統整體

2 系統硬件設計

綜合考慮硬件資源和功能需求,選用意法半導體的Cotex—M3為控制處理核心,功能模塊包括下行采集模塊設計、上行通信模塊設計、電源模塊設計、存儲器模塊設計等部分組成,首先通過下行采集模塊RS—485總線或者M-Bus總線抄讀管網設備數據,通過通道選擇單元選擇需要抄讀的通道,輸送到微處理器的串口1處;按鍵電路中,選用的磁敏按鍵及外圍電路,輸送到微處理器的GPIO口,用于在需要監測上傳數據時使用;電源模塊電路首先輸入220 V交流電,通過開關電源進行整流、穩壓,為系統提供電能;存儲器電路通過SPI總線與微處理器的SPI接口相連;通信模塊電路中首先通過通信電源控制電路將通信模塊的電源打開,通過微處理器的串口0與上行通信模塊進行數據交換,并讀取物聯網卡電路的卡號信息,通過天線與電信基站進行通信[3～5]。其系統硬件如圖2所示。

圖2 系統硬件

2.1 微處理器

本系統采用意法半導體生產的STM32系列芯片,具體型號為：STM32F205,ARM32位Cortex—M3 內核,最大工作頻率120 MHz,最大1 MB的FLASH、128 kB的SRAM存儲器,帶有3個12位的微秒(μs)級的A/D轉換器,4個USART接口和2個UART接口[6,7]。

2.2 下行采集模塊

為了兼容管網設備的需求,設計了兩種采集通道,RS—485總線電路采集帶RS—485通信的監測設備,M—Bus總線電路采集M—Bus通信的監測設備[7～9],兩者均采用Modbus通信協議。

2.2.1 RS—485總線電路

電路采用光耦D16,D18隔離的方式,將內部電路與外部電路進行光電隔離,增加了電路的抗干擾性能。通過RS—485總線方式,來抄讀管網監測設備的數據,將數據信息保存在外部FLASH存儲器中,根據客戶設定的上傳數據時間點,將數據通過上行通信模塊上傳到電信基站,傳輸到天翼云服務平臺。如圖3所示,電路中輸出端串接的元件R100,R102,L15,L16,F2,F3,起過電流保護,器件V38,V43,V40,V42,D17,F2,F3等,防止用戶誤接交流電源損毀內部器件的作用。

圖3 RS—485總線電路

2.2.2 M-Bus總線電路

M-Bus總線設計簡單、布線方便、抗干擾能力強、總線無極性、可自供電、抗干擾能力強等優點,廣泛應用在抄表系統中。它采用半雙工異步通信,傳輸速率：300～9 600 Bps之間。電路采用光耦隔離的形式,降低了內外電路的干擾,保證了通信的可靠性。通過此電路,RTU終端可以抄讀到管網監測設備的數據,將抄到的數據信息保存在外部FLASH存儲器中,并根據客戶設定的上傳數據時間點,將數據通過上行通信模塊上傳到電信基站,傳輸到天翼云服務平臺。

2.3 上行通信模塊

上行通信模塊采用NB-IoT通信方式,采集小數據量,對時延不敏感的管網監測設備信息,具體采用華為內核的移遠模組BC28,它具有超緊湊、多頻段、高性能、低功耗的特點,在設計上實現了全網通的頻段,可選擇使用電信、移動、聯通的網絡,其尺寸比前期的BC95更小,內部帶模數轉換功能[8,9]。工作電壓VCC_NB 可使用范圍3.1～4.2 V,典型值3.6 V。此模塊由模組BC28、異步收發回路、物聯網卡回路、電源管理、射頻通信口組成,如圖4所示,在異步收發回路中串接了1 kΩ 的電阻,用于串口匹配電阻;在物聯網卡通信回路中,串接了22 Ω的電阻,保證讀取物聯網卡數據的穩定;電源管理,保證了低功耗時,整機電源消耗最小;射頻通信口用于外接天線。

圖4 物聯網通信接口電路

2.4 閃存存儲器模塊

存儲單元中采用大容量串行SPI 閃存(Flash)存儲芯片,克服以往采用帶電可擦可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)存儲的缺陷(EEPROM存儲容量小,價格高,寫入時間長,寫入慢的特點),可以存儲12個月以上的采集信息,根據需要把存儲的信息通過上行通信模塊傳送到主站系統,供相關人員查詢備案,使抄讀的數據及時備份。串在SPI總線回路中電阻實現SPI總線的阻抗匹配。通過微處理器控制存儲芯片的電源,降低空閑時功耗。

3 系統軟件設計

采用模塊化程序設計方案,將功能模塊單獨封裝,可讀性更強、穩定性更高。包括下行采集模塊(包括RS—485采集和M-Bus總線采集)、存儲模塊、上行通信模塊等幾大部分,采用自主開發的改進型實時操作系統,將編譯好的程序,通過串行線調試(serial wire debug,SWD)四線制接口下載到微處理器中。程序過程：首先初始化微處理器的各管腳,對其相關寄存器進行配置。隨后,系統與主站通過上行通信模塊進行連接,進行系統校時,并接收主站下發的參數配置,如果連續連接3次都不成功,系統進入下行抄表等待階段,當達到系統設置的時間時,對下行設備進行監測數據抄讀,并保存數據到存儲器中,等待是否到達上行發送時間間隔,當到達時,上傳發送數據到主站,完成一個抄表循環,期間如果抄讀時間間隔未到時,系統進入低功耗模式。具體流程圖如5所示。

圖5 RTU終端主流程

3.1 下行采集模塊

下行采集模塊主要負責RTU終端與管網監測設備之間的數據通信,支持M-Bus總線、RS—485總線兩種方式,首先進行模塊初始化,查詢下行抄讀時間是否達到抄表間隔,當到時根據表號選擇傳輸通道類型,選取不同的通道,通過物理接口發下行幀,等待數據返回,解析返回的數據并存儲到存儲器中。具體處理流程如圖6(a)所示。

3.2 上行通信模塊

上行通信模塊采用半雙工設計,通過切換改變發送和接收模式,比全雙工所需的元件,成本更低,能耗更省。首先通過微處理器控制NB模塊上電,其進入初始化階段,利用AT(attention)指令進行模塊的一系列的判斷,來決定模塊是否進行準備就緒,包括查詢國際移動設備識別碼(IMEI)號、物聯網卡號、模塊信號強度等參數信息,根據BC28模塊要求進行組幀,完成數據的上傳和下發。當數據發送完成后,模塊進入低功耗模式,為保證模塊徹底斷電,通過微處理器將模塊電源斷開,整個終端的功耗最低,目前低功耗模式下,整機功耗可降到8 μA以下,圖6(b)為上行通信流程。

圖6 下行/上行通信流程

4 測試與結果分析

基于窄帶物聯網RTU管網終端開發后,同時開發了對應的辦公自動化(office automation,OA)管理系統。終端設備在省內湘西州水司進行運行測試,至今已經正常運行超10個月。該終端上行采用NB-IoT物聯網通信方式,下行采用支持RS—485/M-Bus通信方式,采集管網的流量、壓力數據信息。終端總體運行良好,數據采集準確、可靠,大大提高水司管網的智能化水平。圖7為通過后臺系統界面查看到現場流量數據情況。

圖7 測試界面

5 結 論

通過實驗驗證及現場應用結果看出,采用窄帶物聯網RTU管網終端,有效解決了現場集中布線困難、覆蓋范圍小、維護成本高等問題。終端總體運行良好,數據采集準確,為水司用戶提供豐富、及時、可靠的管網設備運行狀態信息,滿足水司管理需要,提高了管網監測設備的自動化水平。