基于低功耗廣域網(wǎng)無線通訊技術的配電網(wǎng)監(jiān)測通信終端的設計與實現(xiàn)

引 言

隨著國家“智能電網(wǎng)”戰(zhàn)略的提出與推進，各種類型的傳感器被廣泛應用于配電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)中，以提高配電網(wǎng)的工作效率與運行安全，大幅減少了系統(tǒng)運行維護的人力物力投入。由于配電設備設施數(shù)量龐大、運行環(huán)境復雜，相當數(shù)量的設備處于地下、半地下，且在線監(jiān)測系統(tǒng)需要有效的通信網(wǎng)絡支持，而原有的有線通信網(wǎng)絡部署成本高，可靠性、安全性較差，無線通信網(wǎng)絡距離受限，這些問題在一定程度上阻礙了配電物聯(lián)網(wǎng)的快速部署。本文針對這些問題，引入了低功耗廣域網(wǎng)通信技術（Low Power Wide Area Network， LPWAN），采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）技術，設計并實現(xiàn)了適用于配電網(wǎng)復雜環(huán)境的無線通信終端，支持各類在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效運行。

1 NB-IoT技術簡介

低功耗廣域網(wǎng)無線通信技術主要包括兩種主流技術 ：一種是非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，主要有 LoRa，Sigfox，ZigBee 等短距通信技術 ；另一種是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，主要采用 NB-IoT 技術 [1]。非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)依靠用戶自身組網(wǎng)通信，網(wǎng)絡結構簡單，一般呈星型結構，基于非授權頻譜，通過兩級組網(wǎng)方案實現(xiàn)部署。而 3GPP 給運營商制定的物聯(lián)網(wǎng)解決方案即 NB-IoT，其主要技術特點為超窄帶、網(wǎng)絡協(xié)議精簡、可重復傳輸?shù)?，采用犧牲部分移動性、速度、時延等性能的方法，使其具有面向 LPWAN 物聯(lián)網(wǎng)的承載能力，優(yōu)勢是覆蓋廣、網(wǎng)絡穩(wěn)定。NB-IoT 基于授權頻譜、依托運營商豐富的網(wǎng)絡運維經驗， 使得網(wǎng)絡傳輸可靠性更高、傳輸安全性更強，網(wǎng)絡部署和維護問題易于解決，終端即插即用，降低了業(yè)務部署門檻 [2]。

NB-IoT 被設計用于低功耗 / 長待機、深覆蓋、大容量、移動性較弱的低速率業(yè)務。這些特點能滿足非實時的配電網(wǎng)在線監(jiān)測應用，尤其適合靜態(tài)、非連續(xù)移動和對時延并不敏感的業(yè)務場景。目前已經部署的應用項目包括智能電表、水表、壓力表、流量計、水質儀表、智能消火栓、智能井蓋等 [3]。

2 硬件設計

2.1 通信終端總體設計

終 端 系 統(tǒng) 結 構 如 圖 l 所 示。 系 統(tǒng) 控 制 核 心 由STM32L152CBT6 及其外圍電路組成，可實現(xiàn)對各個模塊的協(xié)調控制與數(shù)據(jù)的處理、加密及與 NB-IoT 模塊通信。隔離型 485 通信模塊與主控連接，進行 485 總線數(shù)據(jù)通信。存儲模塊通過 I/O 總線與主控相連。NB-IoT 模塊通過專用網(wǎng)與管理中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并通過數(shù)據(jù)加密模塊實現(xiàn)加密通信。

2.2 MCU模塊

系統(tǒng)主控芯片采用意法半導體設計生產的超低功耗STM32L152CBT6， 這 款 MCU（ 微 處 理 器 ） 基 于 ARM Cortex-M3 內核設計，擁有 128 KB FLASH 和 16 KBSRAM， 主頻率最高可達 32 MHz， 待機模式電流最低約 0.9 μA， I/O 數(shù)量為 37，可以支持的外設包括 Brown-outDetect/Reset， DMA，I2S，LCD，POR，PWM 和 WDT。外設通信接口包括 USB，USART，SPI 和 I2C，性價比高，適用于此場景。

2.3 NB-IoT模塊

NB-IoT 模塊采用上海移遠通訊技術公司設計生產的BC28。BC28基于華為海思芯片開發(fā)，可支持的頻段為 B1/ B3/B5/B8/B20/B28，在 multitone模式下最大上行速率可達62.5kbps。BC28是一款性能優(yōu)越、緊湊、耗能較低的多頻段 NB-IoT無線通信模塊， 其尺寸為 17.7mm×15.8mm×2.0 mm，能最大限度滿足終端設備對小尺寸模塊產品的需求， 適合非實時監(jiān)測設備和通信終端。BC28 NB-IoT 模塊接口電路簡圖如圖 2 所示。

2.4 數(shù)據(jù)加密模塊

為滿足物聯(lián)網(wǎng)設備安全認證的應用需求，選用上海動信微電子公司設計生產的 DX82 物聯(lián)網(wǎng)加密芯片，該芯片采用對稱標識認證體系，同域設備間只需知道標識即可完成相互的鑒別認證和加密數(shù)據(jù)傳輸，無需建立復雜的密鑰管理中心，主機完成流程控制和數(shù)據(jù)傳輸，兼容接口標準 I2C，SPI 協(xié)議。

每顆芯片均通過 wafer 制造定制唯一的ROM SN 序列號，內置 56 bit OTP 用戶 UID，支持寫入手機號、QQ 號等，不僅可以規(guī)范產品編號，方便生產、出貨、竄貨管理，同時也便于產品接入物聯(lián)網(wǎng)或者移動互聯(lián)網(wǎng)。64 bit 芯片配置有密鑰可對用戶進行認證，采用國際通用 SHA1 算法可實現(xiàn) Host Anti-Clone 認證，密鑰長度為 128 bit。DX82 物聯(lián)網(wǎng)加密芯片加密原理如圖 3 所示。

2.5 RS 485收發(fā)器模塊

RS 485 收發(fā)器模塊 ADM2587E 采用 isoPower 集成隔離式 DC/DC 轉換器，可以設置在半雙工或全雙工模式下，封裝形式為 20 引腳寬體 SOIC，管腳可以兼容，工業(yè)溫度范圍為額定的工作溫度范圍（-40 ～ +85℃），同時具備 ±15 kV ESD 保護功能的集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，非常適合在多點傳輸線路上進行高速通信。該器件為均衡傳輸線路而設計，符合 ISO 8482 ：1987（E） 和 ANSI TIA/EIA-485-A-98 標 準 。它采用來自 ADI 公司研發(fā)的 iCoupler 技術，在單個封裝內集成了一個三態(tài)差分線路驅動器、一個三通道隔離器、一個isoPower DC/DC 轉換器和一個差分輸入接收器。該器件采用5 V/3.3 V 單電源供電，實現(xiàn)了完全集成的信號和電源隔離RS 485 解決方案，滿足該通信終端的需求 [4]。ADM2587E 電路如圖 4 所示。

3 軟件設計

3.1 MCU底層配置

為實現(xiàn) MCU 與 NB-IoT 通信、加密和其他模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的加密和傳輸功能，在搭建的實驗平臺上將需要用到的庫函數(shù)和相關配置文件添加到指定位置，之后配置中斷控制器、系統(tǒng)時鐘、輸入輸出的 GPIO 以及相應串口。需對照原理圖編寫，根據(jù)芯片對各模塊進行配置 [5] 。

開發(fā)環(huán)境搭建好后，開始配置端口參數(shù)。首先設置串口傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?115200，字長為 8 位，l位停止位，無校驗位。在對串口初始化后，打開串口的中斷響應函數(shù)，完成串口配置。

中斷控制器的配置 ：開啟 USART 全局中斷，使能串口再初始化。

3.2 通信功能的實現(xiàn)

通信功能的實現(xiàn)主要涉及 AT 命令和串口的讀寫。AT命令是主控芯片 STM32 和 BC28 之間的通信協(xié)議，完成對BC28 的控制，串口命令是主控與傳感器之間的通信協(xié)議。

通信功能實現(xiàn)流程 ：

（1）系統(tǒng)初始化完成后檢查采集指令，若無采集指令則進入休眠節(jié)電狀態(tài)，若有，則打開 I/O 采集傳感器數(shù)據(jù) ；

（2）數(shù)據(jù)采集完成后，與加密模塊交換數(shù)據(jù)并加密 ；

（3）加密完成后，檢查 BC28 是否正常開通，若未正常開通，則進入等待，若正常開通則啟動通信 ；

（4）數(shù)據(jù)通信完成后，檢查是否有新的采集指令，這一過程循環(huán)進行。

系統(tǒng)通信流程如圖 5 所示。

4 測試效果

終端開發(fā)完成后，團隊利用中國電信的測試卡進行了室內和室外測試，分別將終端放置于地下電纜溝及地下室內，同時接入溫度、濕度和局部放電傳感器進行測試。采集和通信時間間隔分別設定為 10 s，60 s，300 s，對信號的穿透性、準確性、一致性進行了統(tǒng)計，與其他無線通信方式（ZigBee，GPRS）相比，發(fā)現(xiàn)此終端在其他無線通信方式丟失部分或全部數(shù)據(jù)的情況下，仍保持較高的數(shù)據(jù)通信質量，實現(xiàn)了高等級的數(shù)據(jù)加密，且耗費電能更少。因此，本文提出的通信終端能很好地滿足配電物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的需求。

5 結 語

本文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術設計的配電網(wǎng)監(jiān)測通信終端將STM32 作為主控芯片，結合 NB-IoT 芯片與加密芯片等，實現(xiàn)了各類傳感器數(shù)據(jù)的廣域網(wǎng)通信。經多次對比測試，本終端具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點。同時，本設計采用了成本較低、適應高壓電力環(huán)境的芯片和模塊，市場競爭優(yōu)勢明顯，在配電物聯(lián)網(wǎng)領域極具推廣價值，將大幅減少電力系統(tǒng)的運營成本，產生較高的經濟效益。