基于NB-IOT通信的智能電表設(shè)計(jì)

陸昌琪

(安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽合肥230088)

[摘要]針對(duì)當(dāng)前智能電表存在數(shù)據(jù)需要多次傳遞、容易受到電網(wǎng)干擾等問題，介紹了一種基于新一代物聯(lián)網(wǎng)NB -IOT通信技術(shù)的智能電表。其通過NB - IOT通信模塊將數(shù)據(jù)直接傳遞至主站，摒棄復(fù)雜的中間環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)傳遞實(shí)時(shí)性高，而且鑒于NB - IOT具有遠(yuǎn)距離傳輸以及穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的抄表覆蓋問題及設(shè)備安裝在地下室的抄表問題，在智能抄表領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) 智能電表 數(shù)據(jù)傳遞

中圖分類號(hào) TM933.4

引言

智能電表投入到智能電網(wǎng)的建設(shè)中已歷經(jīng)10年，發(fā)揮了重要的作用，也暴露出一些問題，當(dāng)前的電力線載波技術(shù)以及小無線技術(shù)分別存在易受干擾和通信距離受限等缺點(diǎn)，而且采用“電能表——采集器——集中器——服務(wù)器的多次數(shù)據(jù)傳遞方式”，中間環(huán)節(jié)多，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞實(shí)時(shí)性差，還會(huì)因?yàn)橹虚g設(shè)備的故障導(dǎo)致抄表失敗，在運(yùn)行中需要投入大量的人力、財(cái)力進(jìn)行維護(hù)。隨著NB—lOT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，為解決這些問題提供了依據(jù)。

1 功能結(jié)構(gòu)

智能電表由核心處理模塊、上行通信模塊(NB - IOT)、電能計(jì)量模塊、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、拉閘控制模塊縱及電源模塊等主要模塊組成，功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心處理模塊

核心處理單元由MCU、時(shí)鐘及復(fù)位電路組成，MCU采用瑞能微公司RN8613，集成了ARM Cortex - MO內(nèi)核、256 kB FLASH和32 kB SRAM，在2.3～5.5 V電壓，范圍內(nèi)CPU可正常工作。

2.2上行通信模塊(NB - IOT)

上行通信模塊采用上海移遠(yuǎn)公司的BC - 95模塊，它基于華為海思NB - IOT芯片，休眠功耗僅為6uA，支持本地UART、遠(yuǎn)程兩種下載(升級(jí)模式)。

2.3電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊由計(jì)量芯片，電壓、電流采樣電路組成。電壓采樣由多顆精密電阻串聯(lián)分壓獲取，而電流采樣則由錳銅電阻采樣獲取，錳銅電阻的溫度特性極穩(wěn)定，可確保在大電流發(fā)熱時(shí)的采樣精度。

2.4拉閘控制模塊

控制模塊由繼電器和回路檢測(cè)組成，繼電器用于對(duì)不良用戶拉閘限電，回路檢測(cè)用于對(duì)拉合閘的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，確保拉合閘有效。

2.5時(shí)鐘模塊

智能表的分時(shí)電價(jià)功能對(duì)時(shí)鐘精度提出很同的要求，使用EPSON公司的RX8025T對(duì)鐘芯片，它狂全溫度范圍下的精度非常高(≤0. 5SlD)，超低功耗：≤1tlA/3V( TYP)，一節(jié)ER14250的鋰電池可供其使用8年以上。

2.6存儲(chǔ)模塊

在運(yùn)行過程中智能電表要保存大量的數(shù)據(jù)，以及主站下發(fā)的參數(shù)，智能表采用EEPROM和FROM兩種存儲(chǔ)介質(zhì)，同一參數(shù)分別寫入這兩種介質(zhì)，確保在電源波動(dòng)或異常掉電情況下數(shù)據(jù)不丟失。

2.7液晶顯示模塊

液晶顯示單元由液晶驅(qū)動(dòng)芯片、段碼液晶以及背光源組成，作為智能表直觀的人機(jī)交互單元，用戶可以通過液晶顯示單元查看當(dāng)前電量，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員可以查看運(yùn)行狀態(tài)、故障情況以及故障類型。

2.8系統(tǒng)電源模塊

系統(tǒng)電源模塊為整個(gè)電能表提供工作電源，市電經(jīng)過線性變壓器后整流、濾波、穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的直流電源，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作，需要注意的是單片機(jī)、計(jì)量芯片以及時(shí)鐘、存儲(chǔ)等芯片的電源接入腳要增加去耦和濾波電容，以確保數(shù)據(jù)讀寫穩(wěn)定性和計(jì)量精度準(zhǔn)確性。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件的具體流程是：上電啟動(dòng)、硬件初始化，配置寄存器、時(shí)鐘等相關(guān)參數(shù)系統(tǒng)自檢;對(duì)存儲(chǔ)、時(shí)鐘、顯示、電源等系統(tǒng)外設(shè)進(jìn)行自檢;輪詢采集，存儲(chǔ)，顯示等任務(wù);掉電檢測(cè)：檢查市電是否正常，如果正常則輪訓(xùn)任務(wù)，發(fā)現(xiàn)掉電則進(jìn)入低功耗狀態(tài);在低功耗狀態(tài)下進(jìn)行上電檢測(cè)，如果此時(shí)已有市電，則進(jìn)入上電啟動(dòng)、硬件初始化流程，如果依然處于掉電狀態(tài)，則依然在低功耗狀態(tài)下運(yùn)行。

4結(jié)束語

隨著NB - IOT通信標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，將有越來越多的行業(yè)加入NB - IOT陣營(yíng)，事實(shí)上目前基于NB - IOT通信已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到共享單車、智能水表等領(lǐng)域，智能電網(wǎng)中也出現(xiàn)NB - IOT的身影，期待NB - lOT在智能電表中發(fā)揮更大的作用。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示：

參考文獻(xiàn)

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)——模擬部分[Ml.4版.北京：高等教育出版社，1999