基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統設計研究

摘要：抄表工作在電力以及供水企業等基本工作當中占據重要位置，其工作質量對企業經營管理以及服務質量產生直接影響，在企業生產和經營中發揮著關鍵作用。傳統的抄表工作多以人工一戶一表的方式進行，不僅耗時耗力，其實時性也比較差，并且還存在管理繁瑣的問題。本文以基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統設計為研究對象，結合實際需求和相關設計經驗，對智能抄表系統開發設計原則進行梳理分析，然后列舉了基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統總體功能設計和系統硬件設計，最后總結了基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統測試內容及測試結果，期望可以為智能抄表系統設計工作的開展提供更多的思路。

關鍵詞：NB-IoT;STM32;智能抄表系統;水量監測

1 前言

近年來，人們的生活水平實現了質的飛越改變，在這樣的時代背景下人們的用電量、用水量以及用氣量都持續上升，相應的水電氣抄表工作任務量劇增，傳統的抄表工作多以人工一戶一表的方式進行，不僅耗時耗力，其實時性也比較差，并且還對物業管理質量以及住戶服務體驗造成明顯的負面影響。已經無法滿足現代化的物業管理需求。隨著信息技術的快速發展，充分利用互聯網技術以及物聯網技術優勢的智能抄表系統，正在全面代替傳統人工抄表方式。

NB-IoT為Narrow band Internet of things的簡寫，可以將其翻譯為窄帶物聯網，這一網絡技術得到廣泛應用，主要是因為這一技術具有成本小、功耗低、容量大以及覆蓋廣等突出優點，可以確保海量物聯設備都有效接入，并且還可以突破地形的限制。將NB-IoT通信技術應用至智能抄表系統設計工作中，可以有效提升數據收集方式的準確性以及高效性，在進行數據傳輸時還能夠有效抵抗各項干擾，為數據管理的公開透明性提供保障。基于NB-IoT和STM32設計的職能抄表系統，可以對水電氣三表數據進行實時采集，同時還能夠提升抄表效率以及降低抄表成本。

2 智能抄表系統開發設計原則

智能抄表系統主要是指在避免人工干涉的情況下，在機房中直接獲取水電氣表的實時數據，同時將數據傳輸至管理端，其應用可以明顯提升用電用水用氣管理水平，并且也符合如今自動化辦公的要求。智能抄表系統不僅有助于實時查看水電氣表數據，還能夠對變壓器等相關設備進行監視，這一系統主要具有節約成本、數據準確以及時效性等特點。水電氣表的數據采集以及數據值與相關企業的人員配置以及企業經濟收入具有明顯的正相關關系，因此只有保障了抄表系統的優秀性，才能夠為企業實現現代化管理提供保障。在設計智能抄表系統時，不僅要確保其滿足水電氣企業的自身建設以及管理需求，還應當遵循系統的實用性原則、先進性原則、安全性原則以及可靠性原則等。實用性原則主要是指在進行智能抄表系統開發設計時，一定要充分結合企業的實際需求，保障企業的數據流入和流出，確保可以完整實現系統預期功能，又要節約資金以及簡化算法。先進性原則主要是指在設計過程應吸收前人優秀的研發經驗，還應當將超前的先進技術適當融入其中，既要考慮管理者的使用習慣，還應當考慮到今后更新換代的需求。系統一般具有良好的軟件和硬件兼容性，可以對未來可能發生的變化進行適應，為今后系統修改、優化和升級提供便利。在信息共享明顯提升的同時，信息安全問題引起越來越多人的關注，如果水電氣抄表數據發生泄漏，會嚴重干擾到企業正常的生產經營活動，導致企業蒙受巨大的經濟損失。因此，在設計智能抄表系統時，應當根據不同的訪問群體設置相應的用戶權限，確保系統安全性。智能抄表系統的可靠性主要是指，確保系統可以長時間運行以及達到快速解決系統故障的目的。

3 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統總體設計

基于NB-IoT和STM32智能抄表系統可以對大量水電氣表相關用量數據進行集中化的抄讀，避免了一對一入戶抄表的繁雜性，電源屬于這一系統中不可缺少的重要連接部分，而具體功能的實現則需要依靠電子水表、主控制器、云平臺、移動客戶端以及NB-IoT模塊等發揮各自的功能，并且還要將這幾個組成部分通過合理的設計工作串聯成一個完整的系統（如圖1所示）。借助窄帶物聯網技術而設計的智能抄表系統的主控制器為STM32L476，這一控制器具有性能優良以及成本低的特點，并且對于各種嵌入式開發具有廣泛的適應性。另外，STM32L476主控制器還具有超低功耗的優點，因此可以滿足不同類型的便攜式設備。電子水表主要是用于計量用戶的水量使用數據，RS485電子水表具有廣泛的應用范圍，并且具有專屬的通信接口，在其通信接口的支撐作用下，可以有效通信STM32 MCU。之后，系統當中的主控制器會下達相應的指令，電子水表不僅能夠響應指令，還能夠支撐進一步的數據傳輸。系統當中的窄帶物聯網通訊模塊可以將電子水表采集的數據傳送到移動云平臺，相關工作人員以及管理人員可以實時查看移動客戶端或者PC端的用戶數據。基于NB-IoT和STM32智能抄表系統中STM32L476主控制器所具有的功能重要性不容忽視，在進行設計工作中應當充分發揮主控制器接收處理存儲相關計量數據的功能，并且還應當發揮其為云平臺上傳數據的作用。另外，所設計的系統的主控制器還應當為接收和響應客戶端指令服務。

4 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統硬件設計

硬件屬于智能抄表系統設計工作中的重頭內容，一般情況下其硬件設計主要涉及主控制器、電源、電子水表以及通訊模塊，而依靠NB-IoT和STM32所設計的硬件中的通訊模塊則是以NB-IoT通訊模塊為主，每一部分硬件設計工作都不容忽視。系統當中的不同硬件承擔的功能具有明顯差異，但是每一部分都不可或缺，簡單來說系統當中的主控制器的功能主要是完成采集控制和數據處理工作，同時還具備封裝數據傳至NB-IoT通訊模塊的功能，一般選擇STM32作為主控制器。電子水表也是系統當中必不可少的硬件之一，并且水表還應當具備相應的通信接口，在部分設計方案中選擇RS485電子水表，其具備一個RS485通信接口，可以與主控制器進行有效連接，主要通過RS485通信方式。為了確保整個系統工作的穩定性，應當確保電源模塊供電的穩定性。現階段，已有許多科研院校注重智能抄表系統設計工作，并取得可喜的設計應用成果。

4.1 主控制器電路、NB-IoT模塊電路、水量計量采集電路設計

（1）以某一依靠NB-IoT和STM32開展的智能抄表系統設計工作為例，在其所設計的系統中選擇具有超低功耗的STM32L476作為系統主控制器。另外，其電源和采集芯片也采用低功耗芯片。（2）NB-IoT通訊模塊設計屬于這一系統的重點設計內容，該系統主要選擇了BC95模塊、天線、專用物聯網卡插座等，這幾部分發揮著不可或缺的功能，其中最重要的射頻模塊便是BC95模塊，其主要承擔著為連接NB-IoT基站服務的功能，并且在接收計量數據以及上傳數據等方面也發揮著關鍵作用。（3）水量計量采集模塊的設計直接關系到數據采集的準確性，對于最終抄表數據的準確性產生決定性影響，本文中所提到的智能抄表系統主要是結合了高精度電子水表對轉換水量數據進行精準計量和精確標定。

4.2電源模塊電路設計

在進行智能抄表系統電源設計時，應當充分考慮其對于系統正常工作所產生的直接影響。另外，在設計工作中不應當僅僅最求先進技術的應用，還應當注重系統的使用體驗，確保所設計的硬件系統在安裝時具有簡潔性，同時還應當確保所設計的系統具有低功耗的特點，將主控制器、電源、NB-IoT模塊、RS485電子水表這幾部分進行有效連接融為一體。

系統供電時離不開主控制器、NB-IoT模塊以及電子水表這3個硬件部分，并且設計過程應始終對布線供電成本還有復雜性等進行綜合考慮，吳應雨等所設計的系統在穩定電壓時主要是選擇電池以及LM2596集成芯片，在為系統的NB-IoT模塊進行供電時，需要進行轉壓處理，這一過程可以選擇COMS穩壓調節器。在主控制器軟件設計過程通信協議占據重要位置，RS485通訊協議主要應用在主控制器與RS485電子水表之間，在進行通訊時主要是依靠Modbus RTU 傳輸方式，將傳輸波特率設置為9600bit/s。

4.3 云平臺對接以及移動客戶端設計

（1）智能抄表系統中的云平臺主要是對數據進行轉發，同時也兼具調試NB-IoT 模塊的功能。在進行系統設計確保NB-IoT模塊、云平臺、移動客戶端這三部分可以有效對接，應當先建立NB設備，同時還應當將其對應的唯一識別碼IMEI號進行綁定，依靠移動客戶端與設備進行直接連接，在進行身份驗證連接時則主要依靠平臺生成的唯一注冊碼，由此可以實現上述三部分的有效對接。（2）可以設計移動客戶端實現智能抄表系統數據的可視化，本文中所提到的吳應雨等基于NB-IoT和STM32設計的的智能抄表系統的移動客戶端的開發環境為Android 4.0，系統開發過程主要是以JAVA語言為主，設計過程所遵循的設計風格為 material-design。智能抄表系統中移動客戶端主要為實時查詢用戶水量存儲而服務，在兼具較高實時性的同時還具有服務智能化的特點。

4.4 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統測試情況

基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統測試內容主要包括水量數據采集測試以及水量數據上傳功能測試等。對基于NB-IoT和STM32設計的的智能抄表系統以及基于 NB-IoT 設計的智能水表抄表系統[6]測試結果進行分析，此類智能抄表系統經過測試，硬件以及軟件系統可以有效結合，可以實現電子水表水量數據查詢、存儲以及時段水量準確高效查詢等功能，滿足智能抄表系統的各項應用需求，進一步提升抄表工作的便捷性，減輕相關工作人員的抄表工作以及管理工作負擔，為供水公司智能管理的實現提供可靠支撐。

5 結語

綜上所述，智能抄表系統的設計與開發有利于傳統抄表工作的徹底改革創新，提升抄表工作的及時性、準確性以及高效性，為現代化物業管理的實現提供保障。基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統的設計、開發與應用，可以明顯改善傳統抄表方式所具有的弊端，并且實現抄表過程的低功耗、廣接入以及強覆蓋，在設計過程應當遵守遵循實用性原則、先進性原則、安全性原則以及可靠性原則等智能抄表系統設計原則，結合企業實際需求對系統硬件以及軟件進行科學合理的設計，以此來促進智能抄表系統的進一步普及以及相關行業的智能化發展。

參考文獻：

[1]李帥.基于NB-IoT智能水表抄表系統設計與實現[J].信息與電腦（理論版），2021，33（11）：94-96.

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[3]朱珠.基于LoRa的智能電表抄表系統設計與實現[D].佛山科學技術學院，2020.

[4]張得龍，李燕，劉國亭，左仲善.窄帶物聯網技術在智能抄表系統中的應用研究[J].科學技術創新，2018（13）：60-61.

[5]吳應雨，陳運雷，葛知著，劉紫燕.基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統設計[J].自動化技術與應用，2020，39（12）：59-65.

[6]吳正平，張兆蒙，李東，顏華，尹凡，馬占穩.基于NB-IoT智能水表抄表系統設計與實現[J].傳感器與微系統，2019，38（11）：93-95.

作者簡介：石巧云（1981-），女，漢，安徽宿松人，講師，碩士，嵌入式產品開發與教學研究。

課題基金項目：2021年橫向課題——基于NB-IoT物聯網的智能水表流量計量系統研究;2020年安徽省質量工程項目（2020mooc034）。