吳鐵軍

（遼寧思凱科技股份有限公司，遼寧 丹東 118008）

0 引言

目 前 在 儀 表 行 業(yè) 中，4G、NB-IoT、GPRS、LoRa、WiFi和藍(lán)牙等通信技術(shù)都得到了廣泛應(yīng)用，其中NB-IoT以獨特的低功耗優(yōu)勢獲得企業(yè)的廣泛喜愛。它是基于蜂窩技術(shù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)[2,3]，深度覆蓋，在GSM基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)增益20dB，區(qū)域覆蓋的能力提升了100倍，一個基站就可以覆蓋一個小縣城[4]；海量連接，一個扇區(qū)能夠建立10萬個連接；低功耗，使用AA電池（5號電池）便可以待機(jī)工作10年，無需充電；低成本，模組芯片成本只需十幾元；使用運營商授權(quán)頻道進(jìn)行組網(wǎng)，抗干擾能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，對于氣密性檢測儀因安裝位置較差而無法通信問題起到關(guān)鍵的作用。本文設(shè)計一種基于NB-IoT的燃?xì)夤艿罋饷苄詸z測儀，一方面主動采集、上報各管道監(jiān)測點的溫度、壓力數(shù)據(jù)，另一方面接收來自監(jiān)控管理平臺的設(shè)置、控制等命令，實現(xiàn)對燃?xì)夤艿罍囟取毫Φ牡凸倪h(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)由氣密性檢測儀、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、IoT云平臺和監(jiān)控管理平臺組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall system architecture

在對燃?xì)夤艿赖陌惭b進(jìn)行氣密性實驗時，用304不銹鋼封裝后的管道溫壓傳感器通過螺紋連接固定在燃?xì)夤艿郎?，將打壓管段兩端封死，向其中注入空氣，待壓力達(dá)到設(shè)計壓力1.5倍時停止，保壓一個小時[5,6]。管道溫壓傳感器檢測管道中的溫度和壓力，再將檢測到的數(shù)據(jù)通過I2C通信接口傳輸?shù)綒饷苄詸z測儀內(nèi)部單片機(jī)，單片機(jī)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、存儲、分析、整理后，按照統(tǒng)一的應(yīng)用層通信協(xié)議打包后，通過UART串口與NB-IoT模組通信，在附著基于運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)，采用LwM2M協(xié)議方式將采集的實時數(shù)據(jù)上報至IoT云平臺。IoT云平臺將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控管理平臺，每小時上傳一次，上傳24h后，若上傳的數(shù)據(jù)符合要求,則該管道方可投入正常使用。

2 技術(shù)指標(biāo)與功能設(shè)計

技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators

氣密性檢測儀功能如下：

“你已被她妖艷的容貌所迷惑！”族長和師父的話語同時在他的腦海中響起，他愣愣地，覺得心底惡魔的種子再一次舒展了筋骨。

1）按鍵功能：當(dāng)按鍵時間≤3s時，液晶翻頁顯示數(shù)據(jù)，打開近端參數(shù)設(shè)置串口，20s無任何操作熄滅顯示液晶，關(guān)閉串口；當(dāng)3s＜按鍵時間≤6s時，開機(jī)、手動NB上傳數(shù)據(jù)；當(dāng)6s＜按鍵時間≤9s時，啟動北斗和GPS定位獲取位置信息；當(dāng)9s＜按鍵時間≤12s時，啟動表壓、絕壓切換功能；當(dāng)12s＜按鍵時間≤15s時，關(guān)機(jī)。

2）液晶顯示功能：用戶可通過按鍵、液晶顯示隨時查看管道溫度、管道壓力、當(dāng)前日期、時間、電量狀態(tài)、信號強(qiáng)度、定位信息以及其他一些功能標(biāo)志等。

3）LED指示功能：綠燈表示NB運行狀態(tài)，紅燈表示北斗運行狀態(tài)。

4）充電功能：設(shè)備電量低時可使用TYPE C線進(jìn)行充電，充電時間約2h。

5）定時上報功能：定時上傳，可在線配置為以分鐘為最小單位，按分鐘上傳、按小時上傳、按天上傳等模式。數(shù)據(jù)上傳過程中，數(shù)據(jù)需采用動態(tài)加密方式，保證通信數(shù)據(jù)安全。上傳策略：5min存儲1次數(shù)據(jù)，1小時1次進(jìn)行上傳。

6）實時報警功能：檢測儀每20s輪詢采集一次管道壓力和溫度，當(dāng)發(fā)生符合預(yù)設(shè)條件的報警事件（如：電池電壓低于欠壓值或溫度壓力超限）時，并多次探測到數(shù)據(jù)超越報警線，將報警信息上傳。

7）存儲功能：表具可本地記錄最近2500條實時溫度和壓力數(shù)據(jù)、500條報警數(shù)據(jù)。

8）時鐘功能：表內(nèi)具有時鐘功能，具有識別閏年閏月功能，通訊時必須校準(zhǔn)表內(nèi)時鐘，具備遠(yuǎn)程自動校時功能。

9）參數(shù)設(shè)置功能：可通過監(jiān)控管理平臺遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)，可通過手持單元設(shè)置參數(shù)。

10）電源電壓檢測功能：應(yīng)具讀出電源電壓值功能，誤差小于0.1V；當(dāng)電壓小于閾值時，上傳低電量報警，還能支持表具工作。

11）升級功能：應(yīng)能支持手持單元升級、遠(yuǎn)程升級、FOTA固件升級。

12）數(shù)據(jù)補發(fā)功能：當(dāng)檢測儀正常完成本次周期上報之后，應(yīng)當(dāng)自動檢測所有已存儲的周期數(shù)據(jù)，并將存儲區(qū)域內(nèi)所有未完成上報的數(shù)據(jù)，以下一次主動上報后進(jìn)行補充發(fā)送。

13）北斗和GPS定位功能：可通過按鍵和遠(yuǎn)程開啟精確定位，將位置信息在液晶中顯示，并上傳到監(jiān)控管理平臺。

14）數(shù)據(jù)重發(fā)功能：正常上傳數(shù)據(jù)結(jié)束后，如果20s內(nèi)沒有接收到平臺指令回饋或接到錯誤回饋，數(shù)據(jù)重發(fā)；如果未接收到或錯誤超過3次，不再數(shù)據(jù)重發(fā)，進(jìn)入休眠。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

氣密性檢測儀由電源、微處理器、穩(wěn)壓降壓電路、復(fù)位電路、按鍵、液晶、外置管道溫壓傳感器、EEPROM、NB-IoT模組、北斗和GPS定位模組、充電和USB通信電路、AD采樣、LED指示燈構(gòu)成[7]。硬件總體設(shè)計如圖2。

圖2 硬件總體設(shè)計Fig.2 Overall hardware design

電源：氣密性檢測儀一般安裝在燃?xì)夤艿辣O(jiān)測記錄溫度、壓力數(shù)據(jù)24h后，需要拆除氣密性檢測儀，屬于臨時應(yīng)用儀表工具，所以設(shè)計使用鋰離子聚合物電池為整機(jī)電源，可充電，內(nèi)置過充過放電智能保護(hù)板，標(biāo)稱電壓3.7V，充電電壓4.2V～5V。滿電電壓4.2 V±0.05V，額定容量2000mAh。將3.7V電池電壓經(jīng)BUCK電路降壓轉(zhuǎn)換為3.0V，為微處理、EEPROM、溫壓傳感器等提供電源。

微處理器：設(shè)計使用國產(chǎn)FM33LG048微處理器，該處理器是一款基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核32位微控制器，可在電壓為1.65V～5.5V，-40℃～+85℃環(huán)境下工作，最高主頻64Mhz，8個串口，6個定時器，內(nèi)置2個RTC，低功耗VBAT模式電流最小0.8μA，充足的256KB Flash空間，可實現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級。

外置管道溫壓傳感器：設(shè)計使用MS5803-14BA微型溫度壓力傳感器，屬于絕壓傳感器，壓力量程范圍0kPa～1400kPa，分辨率0.02kPa，精度±2kPa，溫度量程范圍-40℃～+85℃，分辨率0.01℃，精度±0.8℃，供電電源1.8V～3.6V，帶有SPI和I2C兩種接口，內(nèi)部包含高線性度的壓力傳感元件和超級低功耗的24位ΔΣADC，內(nèi)置工廠校準(zhǔn)系數(shù)，提供高精度的24位壓力和溫度數(shù)字輸出，可以根據(jù)應(yīng)用需要配置轉(zhuǎn)換速度和功耗，可以與所有形式的微控器配合，通訊協(xié)議非常簡單，無需修改內(nèi)部寄存器。將該溫壓傳感器封裝到304不銹鋼壓力變送器殼體內(nèi)，通過殼體外部螺紋連接到燃?xì)鈮毫艿郎希?fù)責(zé)檢測燃?xì)夤艿赖膲毫蜏囟取?/p>

NB-IoT模組：設(shè)計使用移遠(yuǎn)NB-IoT模組BC28。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28多頻段工作，并且支持UDP、TCP、CoAP、MQTT、LwM2M等多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，供電電源范圍應(yīng)為2.1V～4.2V，需要鋰電池串聯(lián)一個肖特基二極管后給模組供電，防止鋰電池充滿電后4.25V超過其電壓范圍。

北斗和GPS定位模組：設(shè)計使用TAU1103雙模定位模組，支持接收BDS B1I、GPS L1CA、SBAS等衛(wèi)星信號。定位精度GNSS（2.5m CEP）、SBAS（2.0m CEP），帶有UART接口。

充電和USB通信：充電設(shè)計使用TC4056A，單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流、恒定電壓線性充電，提供固定的4.2V充電電壓。USB通信設(shè)計使用CH340H，外部5V供電，其引腳RXD、TXD需要用三極管電平轉(zhuǎn)換后與單片機(jī)的串口相連，從而實現(xiàn)USB和單片機(jī)串口通信。

AD、EEPROM、液晶：AD采樣控制三極管，將鋰電池和分壓電阻導(dǎo)通后采集電池電壓。EEPROM設(shè)計使用24AA512存儲器，該存儲器讀寫次數(shù)超過100萬次，200年以上的數(shù)據(jù)保存時間，存儲容量為512K位，可以存儲2500條實時溫度和壓力數(shù)據(jù)、500條報警數(shù)據(jù)。液晶設(shè)計使用1.3寸OLED顯示屏，分辨率為128×64，支持SPI通信接口。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件程序流程如圖3。

圖3 軟件程序流程圖Fig.3 Software program flow chart

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，每20s進(jìn)行采集一次管道溫度和絕對壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部單片機(jī)計算后轉(zhuǎn)換成表壓力，將管道表壓力和溫度與管道溫度、壓力報警閾值（以中壓為例：欠壓下限2.5kPa，欠壓上限150kPa，超壓下限375kPa，超壓上限600kPa，溫度下限-20℃，溫度上限60℃）做比較，數(shù)據(jù)正常程序向下進(jìn)行處理，如果數(shù)據(jù)不正常，觸發(fā)同一種報警（例如欠壓上限報警）次數(shù)判斷，小于3次程序向下進(jìn)行處理，超過3次進(jìn)行報警數(shù)據(jù)存儲、報警上報，此時監(jiān)測管理平臺接收到氣密性檢測儀的實時報警數(shù)據(jù)。當(dāng)存儲時間到時，對采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝后存儲到24AA512存儲器。當(dāng)上傳時間到時，使能NB-IoT模組，讀取24AA512存儲器中的實時數(shù)據(jù)，主動上報至監(jiān)控管理平臺。上報完成后，等待接收監(jiān)控管理平臺的下發(fā)命令，如修改存儲間隔、上傳間隔、溫度壓力上下限配置參數(shù)等命令，系統(tǒng)對接收到的命令進(jìn)行響應(yīng)并應(yīng)答。當(dāng)接收到結(jié)束數(shù)據(jù)包，氣密性檢測儀退出上報流程進(jìn)入低功耗模式。

5 系統(tǒng)測試

5.1 功耗測試

氣密性檢測儀實際使用過程中通常設(shè)置1小時1次上傳頻率，所以需要以小時為單位計算功耗情況如下：

1）靜態(tài)功耗。氣密性檢測儀的絕大部分時間都處于休眠狀態(tài)，實測得其靜態(tài)電流為35μA，靜態(tài)功耗為3600s×0.035mA =126mAs。

2）通信功耗。每小時連網(wǎng)通信一次，而NB連網(wǎng)受地理位置和電池電量的影響，基站擁堵或信號弱最長可以5min，最短只需要20s，通常取每次通信在60s完成，使用一臺KEYSIGHT 34465A的6.5位臺式萬用表測試通信過程，測得其平均工作電流為50mA，通信功耗為60s×50mA=3000mAs。

3）采集功耗。每20s輪詢采集一次管道壓力和溫度需要用時80ms，為了防止異常數(shù)據(jù)觸發(fā)報警會多采集兩次數(shù)據(jù)，整體用時按照平均200ms計算。兩種溫壓傳感器都是低功耗產(chǎn)品，只有在內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換過程中消耗電流1.8mA，絕大部分耗能是單片機(jī)喚醒后的電流2.5mA，按照平均3mA計算，采集功耗為3600s/20s×0.2s×3mA =108mAs。

4）整體功耗。小時整體功耗為126+3000+108=3234（mAs），電池額定容量為2000mAh，使用過程中容量存在衰減，實際使用容量可按照額定容量的50%計算，可用天數(shù)為1000mA×3600s/3234mAs/24h=46.38天。

5.2 功能測試

在實驗室環(huán)境，準(zhǔn)備4臺氣密性檢測儀，一臺ConST283智能數(shù)字壓力檢驗儀，可測量表壓力，量程 范 圍0kPa～1600kPa，準(zhǔn) 確 度 等 級0.05級。一 臺JM222手持?jǐn)?shù)字溫度計，測溫范圍-30℃～199.9℃，測量誤差±0.4%FS±0.1℃。一臺高低溫試驗箱，溫度范圍-20℃～150℃，降溫速度0.7℃/min～1℃/min。

1）表壓、絕壓切換功能。在相同大氣環(huán)境中，分別通過液晶讀取4臺氣密性檢測儀的管道壓力數(shù)據(jù)，此時液晶顯示壓力為100kPa左右（大氣壓數(shù)據(jù)），長按鍵觸發(fā)切換功能，此時內(nèi)部單片機(jī)快速采集大氣壓數(shù)據(jù)30次后取平均值，將管道壓力減去平均值得到的壓力顯示到液晶中為0kPa左右，說明已經(jīng)切換到表壓力工作模式。大多數(shù)實際應(yīng)用中都是以表壓力進(jìn)行計算，所以氣密性檢測儀在安裝到管道前，都需要切換表壓力模式，使液晶壓力顯示歸零，防止不同地域大氣壓環(huán)境影響精度。

2）精度測試。壓力測試，在室溫25℃環(huán)境中，將4臺氣密性檢測儀的管道溫壓傳感器通過壓力軟管和數(shù)字壓力校驗儀相連接，通過校驗儀給壓力軟管內(nèi)打壓，分別測量0kPa～1000kPa范圍內(nèi)壓力，測試結(jié)果見表2。將測壓數(shù)據(jù)與校驗儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，誤差均在4kPa以內(nèi)。溫度測試，在大氣壓環(huán)境中，將溫度計的測溫探頭和氣密性檢測儀的溫壓傳感器不銹鋼外殼接觸可靠，同時放置到高低溫箱內(nèi)，降溫到-20℃恒定10min后，觀察檢測儀如果有NB上傳，此時記錄溫度計的溫度數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控管理平臺讀取傳感器檢測溫度數(shù)據(jù)，依次升溫完成試驗數(shù)據(jù)見表3。將測溫數(shù)據(jù)與溫度計數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，誤差均在±0.8℃以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計的技術(shù)要求。

表2 室溫25℃測量壓力數(shù)據(jù)Table 2 Pressure data measured at room temperature of 25℃

6 結(jié)語

本文設(shè)計的燃?xì)夤艿罋饷苄詸z測儀在工程實際中明顯優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方式。在燃?xì)夤艿赖臍饷苄栽囼炛校瑧?yīng)用氣密性檢測儀和監(jiān)控管理平臺可避免傳統(tǒng)人工檢測的缺點，提高了檢測的實時性、準(zhǔn)確性，保證了燃?xì)夤艿朗┕せ蚓S修質(zhì)量，具有很好的現(xiàn)實意義和商業(yè)價值。

表3 大氣壓中測量溫度數(shù)據(jù)Table 3 Temperature data measured at atmospheric pressure