基于Cat.1 物聯網通訊的低功耗采集器在城市燃氣中低壓調壓箱中的應用設計

盧明浩

（北京順義燃氣有限責任公司，北京）

1 背景及現狀

近年來全國多地燃氣泄露爆炸事故頻發，特別是中低壓調壓箱，數量眾多，靠近用戶側，發生泄露爆炸事故時，可能會造成嚴重的人身傷害和財產損失，且普遍不具備市政電源接入條件，沒有納入監控系統，處于監控盲區，應采取有效的監控措施，保障中低壓調壓箱的運行安全。

2 目的和意義

為了滿足對中低壓調壓箱遠程數據采集及監控的可靠性需求，同時解決系統功耗高、數據傳輸安全性差等問題，本文結合低功耗技術、傳感器技術、Cat.1無線數據傳輸技術以及中低壓調壓箱現狀，設計了一種基于Cat.1 物聯網通訊的低功耗采集器，構建完善的中低壓調壓箱監控系統，切實提高中低壓調壓箱運行的安全系數，有效保障天然氣用戶側的安全。其目的和意義在于：

（1） 適用于中低壓調壓箱的數據采集與監控要求，實現對調壓箱進出口壓力及天然氣濃度的實時監控，確實提高無人值守站點運行安全水平，降低人工巡檢的人力、物力成本。

（2） 超低功耗技術，采用一次性鋰電池+外置電池供電模式，從采集器硬件電路設計、軟件功能設計、電源管理策略及外設傳感器選型等方面入手，不斷的降低電池放電電流及系統整體功耗，同時確保系統穩定、連續運行。

（3） 數據安全加密技術，將國密安全芯片集成于Cat.1 通訊模組中，構建一體化的國密安全通訊模組，全面提升通訊數據的安全性。

（4） 與SCADA 系統的融合，采用Cat.1 通訊模式，利用已建SCADA 系統的通訊專網卡，實現采集器和工業物聯網軟件平臺的通訊，并將采集到的數據，并入SCADA 系統進行數據的綜合展示和應用[1]。

3 系統總體方案設計

3.1 系統需求分析

隨著傳感器技術、無線數據傳輸技術及電池技術的迅速發展，目前低功耗智能終端設備已廣泛應用于智慧能源、智慧農業、智慧醫療等領域。本次設計的基于Cat.1 物聯網通訊的低功耗采集器，主要用于實現對無人值守、無市電供應的中低壓調壓箱的遠程監控。

通過對中低壓調壓箱監控系統背景及現狀分析，采集器需要滿足的主要功能如下：

（1） 數據采集功能：進出口壓力、天然氣濃度、環境溫度及電池電壓；

（2） 系統功耗：采用一次性鋰電池+外置電池供電，在內置電池供電模式下，壓力、溫度、電池電壓采集周期為5 min，天然氣濃度采集周期為1 h，在上傳周期為20 min 模式下，通過軟、硬件低功耗設計和動態電源管理等手段，系統可以連續使用1.5 年以上；數據采集、上傳周期可設置；

（3） 通訊方式：4G-Cat.1 低功耗通訊模式，支持全網通；

（4） 數據存儲：5 min 一存儲，本地可連續存儲1 年以上歷史數據，數據可通過本地USB 口下載；數據存儲周期可設置；

（5） 防爆標志：Exd ia II BT6；

（6） 防護等級：IP68；

（7） 工作溫度：-30 ℃～70 ℃。

3.2 系統總體方案設計

本次設計的基于CAT.1 物聯網通訊的低功耗數據采集器采用內置一次性鋰電池+外置電池供電模式，通過MCU 完成數據采集、數據處理、數據存儲、數據傳輸、報警處理等功能，并將數據遠傳至調度中心工業物聯網平臺，系統的組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統的組成框圖

4 低功耗設計

采集器需長時間運行在無人值守的中低壓調壓箱內，無市電接入，依靠內置鋰電池+外置電池供電，實現對調壓箱的遠程監控。為了減少電池的頻繁更換，降低人工維護成本，系統從硬件電路設計、器件選型、電源管理、通訊模式和軟件功能等方面來不斷的降低系統功耗，滿足系統的功能需求[2]。

4.1 硬件電路設計

（1） MCU 單元

MCU 是采集器的核心控制單元，負責與系統各個功能模塊共同完成數據的采集、處理、存儲、傳輸、報警處理、人機交互等功能。本系統采用STM32 系列32位增強型STM32F103VCT6 芯片作為系統的MCU，該芯片是基于ARM Cortex-M3 內核的微控制器，最高工作頻率72MHz，具有待機、休眠、停止三種低功耗運行模式，2.0～3.6V 電壓供電，待機或停機模式下，功耗低至幾μA，通過低功耗RTC 芯片提供的精確時鐘源，定時喚醒，在完成數據的采集或上傳后立即進入休眠模式，最大限度的降低整個系統的功耗。

（2） 供電單元

本次設計采用內置3.7V19Ah 一次性鋰電池+外置電池為整個系統供電，由MCU 合理調度、靈活切換各功能模塊的供電，只在某個功能模塊調用前上電，完成工作后立即斷電，進入休眠或停止模式。

設計選用SPX5205M5-L-3-3 型恒壓變壓器芯片，將3.7V 鋰電池電壓降為3.3V 為內部各功能模塊供電，見圖2。

圖2 微功耗邏輯控制原理圖

（3） 信號采集單元

①I2C 或SPI 串行接口電路。調壓站壓力變送器普遍采用4-20 mA 輸出信號，功耗較大，本設計采用MPM3808 數字壓力傳感器，該傳感器采用3.3V 電壓供電，工作模式下供電電流2.5 mA,待機模式下供電電流可低至5 μA，支持標準I2C 接口協議或SPI 接口協議輸出，可以方便的接入MCU STM32F103VCT6芯片的SPI 或I2C 接口，配合軟件間接供電模式，可實現對壓力的低功耗采集。

②TTL 并行接口電路。調壓站濃度變送器普遍采用傳統的催化燃燒式，上電需先預熱后才能正常檢測，功耗較大，本次設計采用本安型激光甲烷傳感器，該傳感器采用激光光譜原理，響應速度快，測量范圍大，測量精度高，支持TTL 通訊，額定功耗只有20 mA@ 3.3VDC，可實現對天然氣濃度的低功耗采集。

（4） 通訊單元

本次設計采用CAT.1 通訊模組作為無線傳輸模塊，實現采集器和調度中心工業互聯網平臺的通訊；同時在CAT.1 通訊模塊內集成國密級安全芯片，提高通訊數據的安全性。

4.2 軟件設計

軟件低功耗設計主要是通過控制各個功能模塊的工作喚醒和空閑休眠，控制數據的采集和傳輸時間來降低系統功耗，實現系統的低功耗設計，見圖3。

圖3 軟件功能框圖

（1） 定時采集、集中上傳

通過設定數據采集、上傳周期，實現對數據的定時采集、集中上傳。

例如設定數據采集周期為1 h，上傳周期為24 h，采集器通過外設RTC 時鐘，每小時喚醒MCU 等功能模塊，完成對壓力、濃度、電池電量和工作溫度的采集和數據存儲，完成后立即進入休眠模式，等待下一個采集周期；完成24 次采集后，MCU 調用CAI.1 通訊模組，通訊模組開啟上電撥號模式，和中心建立連接后將數據發送給上位平臺，完成數據發送后斷開通訊連接，采集器各功能模塊進入休眠模式，等待下一個采集或上傳周期。

（2） 異常報警數據喚醒模式

除定時采集和上報外，還支持報警閾值設定，采集周期內采集到的數據超限時，MCU 立即執行CAT.1通訊子程序，將報警數據及時發送至上位平臺。

例如進口壓力報警上限設定為1.5 Mpa，當在任意采集周期內采集到的進口壓力超過1.5 Mpa 時,MCU 立即啟動CAT.1 撥號上傳程序，將數據及時上傳至上位平臺，見圖4。

圖4 系統軟件工作流程圖

5 CAT.1 國密安全通訊模組

5.1 CAT.1 通訊

Cat.1（全稱LTE UE-Category 1）是4G 通信LTE網絡下用戶終端類別的一個標準。其上行峰值速率5 Mbit/s，下行峰值速率10 Mbit/s，定位于面向物聯網應用市場的一個類別。

在我國，隨著5G 建設高速推進，2G、3G 退出舞臺已是大勢所趨，隨著2G 網絡的承載能力進一步減弱，在新部署的物聯網連接中NB-IoT、4G 會逐步替代2G模組。相比NB-IoT，Cat.1 在網絡覆蓋、速度和延時上均有優勢；相比傳統的LTE Cat.4 模組，Cat.1 則擁有低成本和低功耗優勢。同時，Cat.1 適配于當前國內的4G 網絡，非常適合運用在對性價比、時延性、覆蓋范圍、通信速度有要求的運用場景[3]。

5.2 CAT.1 國密安全通訊模組

目前，物聯網終端設備數據傳輸的安全性是用戶一直以來比較關注的重點，一般的解決方案是通過對報文軟加密處理或增設硬件加密芯片來提高數據傳輸的安全性。

本次設計的低功耗采集器采用國密級硬件加密芯片，不同于傳統的安全模塊旁掛模式，將國密級安全芯片集成于Cat.1 通訊模組中，采用安全模塊前置化串行結構，構建一體化的Cat.1 國密安全通訊模組，具備標準的Cat.1 通訊能力，同時支持國密SM2/2/3/4/9 等算法，在模組中內嵌密鑰分發，密碼運算能力，外部應用通過AT 指令訪問Cat.1 模組的安全服務，可實現身份認證、數據加密、數字簽名驗證等功能,簡化通訊結構的同時，有效降低通訊功耗。