周錦榮 鄒力偉周志森楊豐亮

(1.閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州 363000；2.漳州零點(diǎn)智能工程有限公司，福建 漳州 363000)

隨著智能用電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)施遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析與監(jiān)測控制在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1－5]。用電設(shè)備遠(yuǎn)程無線監(jiān)測管理信號(hào)的傳輸方式目前主要有ZigBee 技術(shù)進(jìn)行無線組網(wǎng)，基于nRF 射頻芯片、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等多種形式[6－9]。本設(shè)計(jì)以大功率LED 路燈作為智能監(jiān)測控制對(duì)象，通過對(duì)路燈電能參數(shù)采集和上位機(jī)軟件開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)路燈的自動(dòng)開關(guān)、故障監(jiān)測報(bào)警、運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)遠(yuǎn)程控制與管理等功能。系統(tǒng)采用STM32F103RCT6 構(gòu)成主控電路，通過BC95 傳感器終端模塊、電信云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及阿里云的服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)

圖1 中傳感器終端通過電信NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)與IoT平臺(tái)連接。具體流程如下:QS1212B 電能計(jì)量芯片將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸至MCU；MCU 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過串口傳輸至BC95 模塊；BC95 模塊使用CoAP 協(xié)議通過NB-IoT 核心網(wǎng)絡(luò)將采集的電能數(shù)據(jù)發(fā)送至IoT 平臺(tái)。NB-IoT 核心網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)與傳感器終端非接入層交互的功能，將有IoT 業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至IoT 平臺(tái)進(jìn)行處理。NBIoT 核心網(wǎng)與LTE 核心網(wǎng)架構(gòu)基本相同，但是進(jìn)行了功能簡化和優(yōu)化。

IoT 平臺(tái)與阿里云服務(wù)器通信過程:由服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，IoT 平臺(tái)將數(shù)據(jù)封裝成JSON 格式，通過HTTP 的GET/POST 請(qǐng)求，與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 路燈運(yùn)行時(shí)電能參數(shù)的計(jì)量、監(jiān)測以及下發(fā)控制等功能。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由AD/DC 電源電路、DC/DC 降壓電路、STM32F103RCT6 核心電路、QS1212B 電能采樣電路、BC95 通信電路、DA 輸出及放大電路、E2PROM存儲(chǔ)電路、DS3231 時(shí)鐘電路組成。本設(shè)計(jì)采用80 W 的LED 路燈作為實(shí)驗(yàn)負(fù)載，LED 供電電源為壓控恒流源，需要提供0～10 V 的控制電壓。硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)供電電源及主控制單元電路

系統(tǒng)供電電源電路如圖3 所示，主要包括AD/DC 轉(zhuǎn)換電路、DC/DC 降壓電路，通過電壓轉(zhuǎn)換為各模塊提供需要的電壓，具體電路如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)供電電源框圖

圖4 系統(tǒng)供電電源電路

AD/DC 轉(zhuǎn)換電路采用海凌科AC/DC 隔離穩(wěn)壓電源模塊10M12，DC/DC 降壓電路采用LM2576 構(gòu)成BUCK 降壓型開關(guān)電源，得到較高轉(zhuǎn)換效率和較大輸出電流。為給STM32 核心電路、BC95 通信電路及QS1212B 計(jì)量電路提供穩(wěn)定的3.3 V 供電電源，系統(tǒng)采用AMS117 線性穩(wěn)壓電源。為了確保AMS1117 的穩(wěn)定性，輸入端加入了100 nF 的旁路電容，輸出端加入了100 μF 和100 nF 的旁路電容。為了提高供電電源的質(zhì)量和抗干擾能力，電路加入了磁珠和0 Ω 電阻[10－11]。磁珠可以抑制電源線上的高頻傳導(dǎo)干擾和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力，有利于提高電源穩(wěn)定性；0 Ω 電阻用于模擬地和數(shù)字地之間的單點(diǎn)接地，能夠有效限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制，減少模數(shù)間的互相干擾[10－11]。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)并不需要太強(qiáng)的運(yùn)算能力，且盡量要求在低功耗狀態(tài)下工作，選擇STM32F103RCT6 作為主控芯片可滿足上述要求。STM32F103RCT6 擁有DMA 數(shù)據(jù)傳輸、ADC、DAC 等豐富的軟件資源[12]，其在電路中的主要資源分配如表1 所示。因?yàn)镾TM32F103RCT6 的I2C 接口與Q21212B 使用的通信接口USART3 接口復(fù)用，設(shè)計(jì)中采用軟件模擬I2C 協(xié)議，避免了接口沖突以及由于I2C 接口缺陷問題可能造成的程序運(yùn)行不穩(wěn)定，又方便了程序的移植。

表1 主控芯片主要資源分配

同時(shí)，STM32F103 工作頻率為72 MHz，擁有豐富的接口，如:USART 通信接口、I2C 接口、SPI 接口、CAN 接口及USB 接口等，為硬件的拓展和數(shù)據(jù)的傳輸提供了保證，硬件電路如圖5 所示。

圖5 STM32F103RCT6 主控電路原理圖

1.2 電能采樣計(jì)量單元電路

電能采樣計(jì)量單元電路主要由電能計(jì)量處理電路、電流互感采樣以及電壓互感采樣電路組成[13]。電能計(jì)量處理電路采用深圳艾銳達(dá)光電有限公司生產(chǎn)的QS1212B 芯片，該芯片是一款內(nèi)嵌32 位ARM Cortex－M0 內(nèi)核定制開發(fā)的低功耗、高性能、高集成度、高可靠的單相電能芯片。QS1212B 可以測量交直流電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率，計(jì)量有功和無功電能，支持2 路單相計(jì)量和測量。內(nèi)部嵌入了電能計(jì)量算法和電能計(jì)量校準(zhǔn)算法，用戶只需要通過DL/T 645－2007 規(guī)約和Modbus-RTU 規(guī)約即可讀出電壓、電流、電能等數(shù)據(jù)，便于用戶開發(fā)和應(yīng)用。使用中，QS1212B 的XO 和XI 引腳之間跨接32.768 kHz 晶振，不需外接電阻和電容。電路原理圖如圖6 所示。

圖6 電能計(jì)量處理電路原理圖

電流采樣通過電流互感器采用艾銳達(dá)CT41A－001。其為5 A:2.5 mA 的電流互感器，初級(jí)基本電流為5 A，最大電流為80 A；次級(jí)基本電流為2.5 mA，最大電流為40 mA。電路原理圖如圖7 所示。

圖7 電流互感采樣電路

本設(shè)計(jì)路燈的最大電流為1.6 A，電流傳感器的次級(jí)電流最大為0.8 mA。采樣點(diǎn)的電壓有效值為0.8 mV，電壓幅值為1.31 mV，計(jì)算如式(1)和式(2)所示。為保證采樣信號(hào)的可靠性，采樣信號(hào)經(jīng)過后端RC 濾波電路，防止高頻干擾。

電壓采樣采用2 mA:2 mA 的艾銳達(dá)PT02A－001 型電流互感器，初級(jí)基本電流為2 mA，最大電流為10 mA；次級(jí)基本電流為2 mA，最大電流為10 mA。電路原理如圖8 所示。

圖8 電壓互感采樣電路

本設(shè)計(jì)接220 V 市電，電壓互感器的初級(jí)電流為0.18 mA，初級(jí)電流計(jì)算如式(3)所示。所以，次級(jí)電壓有效值為18.3 mV，次級(jí)電壓計(jì)算如式(4)所示；幅值為25.880 mV，幅值計(jì)算如式(5)所示。經(jīng)過后端RC 濾波，進(jìn)一步消除了高頻分量，并使到達(dá)IO 口的電壓低于3.3 V，滿足后端電壓采樣的范圍要求。

1.3 時(shí)鐘與存儲(chǔ)單元電路

時(shí)鐘電路采用低成本、高精度I2C 實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC 芯片DS3231 與MCU 連接構(gòu)成，如圖9 所示[14]。DS3231 包含電池輸入端，斷開主電源時(shí)仍可保持精確計(jì)時(shí)。MCU 通過I2C 總線與DS3231 連接，其SCL 及SDA 引腳連接到了STM32 的通用GPIO 引腳，結(jié)合上拉電阻，通過軟件模擬I2C 通信協(xié)議，構(gòu)成了I2C 通訊總線，通過I2C 總線與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖9 時(shí)鐘與存儲(chǔ)單元電路

圖9 中采用AT24C02 型號(hào)的E2PROM 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其SCL 及SDA 引腳連接到了STM32的通用GPIO 引腳，結(jié)合上拉電阻，通過軟件模擬I2C 通信協(xié)議，構(gòu)成了I2C 通訊總線，通過I2C 總線與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.4 NB-IoT 窄帶通信單元電路

NB-IoT 窄帶通信單元采用移遠(yuǎn)通信的BC95 芯片NB-IoT 電路模塊[15]。BC95 模塊包含有電源供電接口、串口通信接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、USIM 卡接口、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示接口、RF 接口。該模塊對(duì)電源的要求為:0.5 A 電流能力、VBAT 電壓輸入范圍為3.1 V～4.2 V，采用XC6221 穩(wěn)壓芯片構(gòu)成供電電源。XC6221 系列芯片是一款低消耗電流正電壓型電壓穩(wěn)壓器，且內(nèi)置了過流等保護(hù)電路。電路設(shè)計(jì)如圖10 所示。

圖10 NB-IoT 窄帶通信單元電路

1.5 LED 驅(qū)動(dòng)數(shù)控恒流調(diào)制

本設(shè)計(jì)包含雙路5V DC 的繼電器驅(qū)動(dòng)電路，可以實(shí)現(xiàn)雙路LED 的單獨(dú)控制。由MCU 的IO 口輸出控制電壓，并配合三極管進(jìn)行擴(kuò)流，使三極管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，從而控制繼電器的開斷。由式(6)、式(7)可知三極管飽和區(qū)電流最小為208 mA，而繼電器工作的最大電流為100 mA，驅(qū)動(dòng)電路可以保障繼電器的正常開合。圖11 中二極管反向并聯(lián)在繼電器線圈兩端，可以保護(hù)線圈不受反峰電壓的沖擊，對(duì)繼電器起到保護(hù)作用。電路設(shè)計(jì)如圖11 所示。

圖11 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)采用漳州零點(diǎn)智能工程有限公司的壓控式LED 恒流驅(qū)動(dòng)模塊，該產(chǎn)品可提供兩路電壓單獨(dú)控制，需要通過驅(qū)動(dòng)0～10V DC 的壓控恒流源控制燈光的亮度。因此，設(shè)計(jì)中采用LM324 運(yùn)放電路對(duì)STM32 的DAC 輸出0～3.3 V DC 電壓進(jìn)行放大可滿足壓控電壓要求。如圖12 所示。

圖12 集成運(yùn)算放大電路

DAC 輸出采用STM32 內(nèi)部DAC，其輸出電壓范圍為0～3.3 V DC，由式(8)可得其Uout的輸出范圍為0～11.55 V DC，滿足壓控LED 恒流源所需的0～10 V的電壓。

STM32 內(nèi)部DAC 具有12 位的分辨率，由式(9)可得其步進(jìn)電壓USV為0.8 mV。通過式(8)可知，運(yùn)放放大電路最小可實(shí)現(xiàn)2.8 mV 的電壓步進(jìn)。本系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)LED 恒流驅(qū)動(dòng)模塊控制電壓10 mV 的步進(jìn)對(duì)LED 的精確控制，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)為0.1%的調(diào)光。

2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)STM32F103RCT6 程序設(shè)計(jì)采用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為框架，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率[16]。主程序框架分為三個(gè)任務(wù)執(zhí)行:(1)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在線檢測；(2)云平臺(tái)下發(fā)命令解析；(3)設(shè)備離線控制。系統(tǒng)結(jié)合各硬件驅(qū)動(dòng)子程序，組成系統(tǒng)的整體程序框架。主程序流程如圖13 所示。

圖13 主程序流程圖

任務(wù)1 主要通過讀取DS3231 的時(shí)間，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的檢測。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接正常時(shí)上傳電能參數(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)啟動(dòng)時(shí)基控制方案，該程序流程圖如圖14 所示。

圖14 任務(wù)一程序流程圖

QS1212B 的通信接口支持標(biāo)準(zhǔn)UART 通訊接口，設(shè)計(jì)中將STM32F103RCT6 串口3 設(shè)置為波特率4 800 bit/s，數(shù)據(jù)位為8 位，1 位停止位。當(dāng)MCU需要讀取QS1212B 多路寄存器時(shí)，需要發(fā)送符合MODBUS-RTU 規(guī)約的16 位數(shù)據(jù)幀，MCU 數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收示。BC95 通過MCU 的串口2 與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。串口設(shè)置為波特率9 600 bit/s，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位。MCU 需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成幀，使用CoAP 協(xié)議發(fā)送至IoT 平臺(tái)。MCU 與BC95通信是通過AT 指令。

任務(wù)2 用于接收服務(wù)器下發(fā)的命令，該程序流程圖如圖15 所示。

圖15 任務(wù)二程序流程圖

在BC95 與云平臺(tái)通信之前，云平臺(tái)需完成以下三個(gè)步驟:(1)云平臺(tái)完成Profile 文件的編寫與上傳；(2)云平臺(tái)完成插件開發(fā)；(3)云平臺(tái)綁定該設(shè)備的IMEI 碼。綁定成功后，MCU 只需通過串口向BC95 發(fā)送需要傳輸數(shù)據(jù)的地址域與符合Profile文件、插件開發(fā)中描述相同的數(shù)據(jù)格式，即可與平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

任務(wù)3 主要功能是網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)系統(tǒng)通過時(shí)間控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其流程圖如圖16 所示。

圖16 任務(wù)三程序流程圖

3 電信IoT 云平臺(tái)開發(fā)

電信平臺(tái)支持圖像化的插件開發(fā)界面，其主要功能是將設(shè)備的二進(jìn)制碼流轉(zhuǎn)化為平臺(tái)的JSON 格式，同時(shí)將平臺(tái)下發(fā)的命令轉(zhuǎn)化為設(shè)備的二進(jìn)制碼流，方便開發(fā)者對(duì)信息的查看和處理。

(1)數(shù)據(jù)上報(bào)

以A 路電壓量上報(bào)為例，上傳插件開發(fā)如圖17所示，其中messageld 為標(biāo)志地址域，功能是當(dāng)有多條信息或命令是需要有不同的地址域，以便區(qū)分不同消息，其數(shù)據(jù)格式為8 位無符號(hào)整型；A＿Voltage為上報(bào)的數(shù)據(jù)。其中AT＋NMGS 為發(fā)送指令，其數(shù)據(jù)格式為32 位有符號(hào)整型，具體說明如表2 所示。

圖17 電壓上傳云平臺(tái)插件

表2 上傳命令解析數(shù)據(jù)格式

MCU 需要根據(jù)定義的地址域和數(shù)據(jù)類型上報(bào)消息的數(shù)據(jù)，可以自己根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置數(shù)據(jù)格式。如上報(bào)A 路電壓需發(fā)送如下格式的數(shù)據(jù):AT＋NMGS＝5，04xxxxxxxx。

(1)數(shù)據(jù)下發(fā)

以定時(shí)時(shí)間下發(fā)為例，下發(fā)插件開發(fā)如圖18 所示，其中messageld 為標(biāo)志地址域；hour、min 分別為下發(fā)的小時(shí)和分鐘；status 為下發(fā)的狀態(tài)命令，MCU接收到的數(shù)據(jù)為:＋NNMI＝4，24xxxxxx，MCU 只要根據(jù)需要解碼下發(fā)的數(shù)據(jù)，即可得到相應(yīng)的命令。

圖18 云平臺(tái)定時(shí)時(shí)間下發(fā)插件

系統(tǒng)調(diào)試可用服務(wù)器通過IoT 平臺(tái)進(jìn)行，也可直接利用IoT 平臺(tái)的應(yīng)用調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時(shí)需注意下發(fā)命令的數(shù)據(jù)范圍，以免系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常。電參數(shù)上傳命令可以在IoT 平臺(tái)的歷史數(shù)據(jù)中直接查看，也可通過調(diào)閱接口至自己的服務(wù)器。

4 實(shí)驗(yàn)測試

本設(shè)計(jì)主要功能為路燈控制命令的下發(fā)和電參數(shù)的上傳?？刂泼畹南掳l(fā)由服務(wù)器執(zhí)行。因此，需要硬件系統(tǒng)進(jìn)行在線檢測保證硬件系統(tǒng)與服務(wù)器間良好通信，當(dāng)通信中斷時(shí)需要及時(shí)報(bào)警，并啟動(dòng)相應(yīng)擁有通信中斷時(shí)的備用措施的應(yīng)急方案。實(shí)驗(yàn)測試通過下發(fā)時(shí)間控制命令，并存儲(chǔ)于E2ROM 內(nèi)，保證通信中斷時(shí)硬件系統(tǒng)的正常工作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立兩路路燈的控制及電能參數(shù)的采集，并通過NB-IoT 傳輸在電信阿里云平臺(tái)采集得到上傳的一路路燈的電源和電流的實(shí)時(shí)數(shù)值顯示。

實(shí)驗(yàn)測試MCU 對(duì)電能參數(shù)的采集以及通過NB-IoT 核心網(wǎng)絡(luò)推送至電信IoT 平臺(tái)，由IoT 服務(wù)平臺(tái)(阿里云服務(wù)器)接收來自電信IoT 平臺(tái)的消息推送，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及入庫等工作。

電信IoT 平臺(tái)與IoT 服務(wù)平臺(tái)的交互流程為:電信IoT 平臺(tái)收集終端數(shù)據(jù)，并推送數(shù)據(jù)到IoT 服務(wù)平臺(tái)，由IoT 服務(wù)平臺(tái)接收來自電信IoT 平臺(tái)的消息推送，通過WSS 將數(shù)據(jù)推送到網(wǎng)站前端、終端狀態(tài)查詢、異常處理、入庫保存工作，具體工作流程如圖19 所示。

圖19 IoT 服務(wù)平臺(tái)工作流程框圖

圖20 為電信IoT 平臺(tái)收集終端數(shù)據(jù)。圖21 為IoT 服務(wù)平臺(tái)接收電信IoT 平臺(tái)的數(shù)據(jù)推送并在前端進(jìn)行顯示。

圖20 電信IoT 平臺(tái)收集終端數(shù)據(jù)

圖21 IoT 服務(wù)平臺(tái)接收數(shù)據(jù)并顯示

如表3 和表4 是采用優(yōu)利德UT61E 作為標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)一路路燈實(shí)時(shí)工作的測試數(shù)據(jù)和經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后通過NB-IoT 上傳到云平臺(tái)得到的電壓測量數(shù)據(jù)和電流測量數(shù)據(jù)值。

表3 電壓測量數(shù)據(jù) 單位:V

表4 電流測量數(shù)據(jù) 單位:mA

5 結(jié)論

NB-IoT 具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和鏈接能力。本系統(tǒng)采用STM32F103RCT6 輔以QS1212B 電能計(jì)量芯片，基于窄帶物聯(lián)(NB-IoT)BC95 模塊將數(shù)據(jù)傳輸至電信IoT 平臺(tái)的阿里云服務(wù)器，在云服務(wù)器中部署上位機(jī)程序，通過API 的調(diào)用將電信IoT 平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫。設(shè)計(jì)基于Tomcat 實(shí)現(xiàn)Web 端的功能，用戶可在Web 端查看數(shù)據(jù)，并可下發(fā)命令控制路燈開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了路燈系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、異常報(bào)警。通過較為完整地闡述本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可對(duì)采用電能智能采集監(jiān)控以及窄帶物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸控制技術(shù)等提供相關(guān)的工程實(shí)際應(yīng)用參考。