基于NB-IOT通信的智能電表設計

陸昌琪

(安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽合肥230088)

[摘要]針對當前智能電表存在數(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，摒棄復雜的中間環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)傳遞實時性高，而且鑒于NB - IOT具有遠距離傳輸以及穿透能力強等特點，對解決偏遠地區(qū)的抄表覆蓋問題及設備安裝在地下室的抄表問題，在智能抄表領域具有巨大的優(yōu)勢。

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

中圖分類號 TM933.4

引言

智能電表投入到智能電網(wǎng)的建設中已歷經(jīng)10年，發(fā)揮了重要的作用，也暴露出一些問題，當前的電力線載波技術以及小無線技術分別存在易受干擾和通信距離受限等缺點，而且采用“電能表——采集器——集中器——服務器的多次數(shù)據(jù)傳遞方式”，中間環(huán)節(jié)多，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞實時性差，還會因為中間設備的故障導致抄表失敗，在運行中需要投入大量的人力、財力進行維護。隨著NB—lOT技術標準的凍結，為解決這些問題提供了依據(jù)。

1 功能結構

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

2硬件設計

2.1 核心處理模塊

核心處理單元由MCU、時鐘及復位電路組成，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、遠程兩種下載(升級模式)。

2.3電能計量模塊

電能計量模塊由計量芯片，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組成，繼電器用于對不良用戶拉閘限電，回路檢測用于對拉合閘的狀態(tài)進行檢測，確保拉合閘有效。

2.5時鐘模塊

智能表的分時電價功能對時鐘精度提出很同的要求，使用EPSON公司的RX8025T對鐘芯片，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存儲模塊

在運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)動芯片、段碼液晶以及背光源組成，作為智能表直觀的人機交互單元，用戶可以通過液晶顯示單元查看當前電量，現(xiàn)場運維人員可以查看運行狀態(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)動系統(tǒng)工作，需要注意的是單片機、計量芯片以及時鐘、存儲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)定性和計量精度準確性。

3軟件設計

軟件的具體流程是：上電啟動、硬件初始化，配置寄存器、時鐘等相關參數(shù)系統(tǒng)自檢;對存儲、時鐘、顯示、電源等系統(tǒng)外設進行自檢;輪詢采集，存儲，顯示等任務;掉電檢測：檢查市電是否正常，如果正常則輪訓任務，發(fā)現(xiàn)掉電則進入低功耗狀態(tài);在低功耗狀態(tài)下進行上電檢測，如果此時已有市電，則進入上電啟動、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)下運行。

4結束語

隨著NB - IOT通信標準的凍結，將有越來越多的行業(yè)加入NB - IOT陣營，事實上目前基于NB - IOT通信已經(jīng)被廣泛運用到共享單車、智能水表等領域，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

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