基于低功耗广域网无线通讯技术的配电网监测通信终端的设计与实现

引 言

随着国家“智能电网”战略的提出与推进，各种类型的传感器被广泛应用于配电网在线监测系统中，以提高配电网的工作效率与运行安全，大幅减少了系统运行维护的人力物力投入。由于配电设备设施数量庞大、运行环境复杂，相当数量的设备处于地下、半地下，且在线监测系统需要有效的通信网络支持，而原有的有线通信网络部署成本高，可靠性、安全性较差，无线通信网络距离受限，这些问题在一定程度上阻碍了配电物联网的快速部署。本文针对这些问题，引入了低功耗广域网通信技术（Low Power Wide Area Network， LPWAN），采用窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）技术，设计并实现了适用于配电网复杂环境的无线通信终端，支持各类在线监测系统的有效运行。

1 NB-IoT技术简介

低功耗广域网无线通信技术主要包括两种主流技术 ：一种是非蜂窝物联网，主要有 LoRa，Sigfox，ZigBee 等短距通信技术 ；另一种是蜂窝物联网，主要采用 NB-IoT 技术 [1]。非蜂窝物联网依靠用户自身组网通信，网络结构简单，一般呈星型结构，基于非授权频谱，通过两级组网方案实现部署。而 3GPP 给运营商制定的物联网解决方案即 NB-IoT，其主要技术特点为超窄带、网络协议精简、可重复传输等，采用牺牲部分移动性、速度、时延等性能的方法，使其具有面向 LPWAN 物联网的承载能力，优势是覆盖广、网络稳定。NB-IoT 基于授权频谱、依托运营商丰富的网络运维经验， 使得网络传输可靠性更高、传输安全性更强，网络部署和维护问题易于解决，终端即插即用，降低了业务部署门槛 [2]。

NB-IoT 被设计用于低功耗 / 长待机、深覆盖、大容量、移动性较弱的低速率业务。这些特点能满足非实时的配电网在线监测应用，尤其适合静态、非连续移动和对时延并不敏感的业务场景。目前已经部署的应用项目包括智能电表、水表、压力表、流量计、水质仪表、智能消火栓、智能井盖等 [3]。

2 硬件设计

2.1 通信终端总体设计

终 端 系 统 结 构 如 图 l 所 示。 系 统 控 制 核 心 由STM32L152CBT6 及其外围电路组成，可实现对各个模块的协调控制与数据的处理、加密及与 NB-IoT 模块通信。隔离型 485 通信模块与主控连接，进行 485 总线数据通信。存储模块通过 I/O 总线与主控相连。NB-IoT 模块通过专用网与管理中心实现数据交互，并通过数据加密模块实现加密通信。

2.2 MCU模块

系统主控芯片采用意法半导体设计生产的超低功耗STM32L152CBT6， 这 款 MCU（ 微 处 理 器 ） 基 于 ARM Cortex-M3 内核设计，拥有 128 KB FLASH 和 16 KBSRAM， 主频率最高可达 32 MHz， 待机模式电流最低约 0.9 μA， I/O 数量为 37，可以支持的外设包括 Brown-outDetect/Reset， DMA，I2S，LCD，POR，PWM 和 WDT。外设通信接口包括 USB，USART，SPI 和 I2C，性价比高，适用于此场景。

2.3 NB-IoT模块

NB-IoT 模块采用上海移远通讯技术公司设计生产的BC28。BC28基于华为海思芯片开发，可支持的频段为 B1/ B3/B5/B8/B20/B28，在 multitone模式下最大上行速率可达62.5kbps。BC28是一款性能优越、紧凑、耗能较低的多频段 NB-IoT无线通信模块， 其尺寸为 17.7mm×15.8mm×2.0 mm，能最大限度满足终端设备对小尺寸模块产品的需求， 适合非实时监测设备和通信终端。BC28 NB-IoT 模块接口电路简图如图 2 所示。

2.4 数据加密模块

为满足物联网设备安全认证的应用需求，选用上海动信微电子公司设计生产的 DX82 物联网加密芯片，该芯片采用对称标识认证体系，同域设备间只需知道标识即可完成相互的鉴别认证和加密数据传输，无需建立复杂的密钥管理中心，主机完成流程控制和数据传输，兼容接口标准 I2C，SPI 协议。

每颗芯片均通过 wafer 制造定制唯一的ROM SN 序列号，内置 56 bit OTP 用户 UID，支持写入手机号、QQ 号等，不仅可以规范产品编号，方便生产、出货、窜货管理，同时也便于产品接入物联网或者移动互联网。64 bit 芯片配置有密钥可对用户进行认证，采用国际通用 SHA1 算法可实现 Host Anti-Clone 认证，密钥长度为 128 bit。DX82 物联网加密芯片加密原理如图 3 所示。

2.5 RS 485收发器模块

RS 485 收发器模块 ADM2587E 采用 isoPower 集成隔离式 DC/DC 转换器，可以设置在半双工或全双工模式下，封装形式为 20 引脚宽体 SOIC，管脚可以兼容，工业温度范围为额定的工作温度范围（-40 ～ +85℃），同时具备 ±15 kV ESD 保护功能的集成式隔离数据收发器，非常适合在多点传输线路上进行高速通信。该器件为均衡传输线路而设计，符合 ISO 8482 ：1987（E） 和 ANSI TIA/EIA-485-A-98 标 准 。它采用来自 ADI 公司研发的 iCoupler 技术，在单个封装内集成了一个三态差分线路驱动器、一个三通道隔离器、一个isoPower DC/DC 转换器和一个差分输入接收器。该器件采用5 V/3.3 V 单电源供电，实现了完全集成的信号和电源隔离RS 485 解决方案，满足该通信终端的需求 [4]。ADM2587E 电路如图 4 所示。

3 软件设计

3.1 MCU底层配置

为实现 MCU 与 NB-IoT 通信、加密和其他模块之间的数据通信，实现传感数据的加密和传输功能，在搭建的实验平台上将需要用到的库函数和相关配置文件添加到指定位置，之后配置中断控制器、系统时钟、输入输出的 GPIO 以及相应串口。需对照原理图编写，根据芯片对各模块进行配置 [5] 。

开发环境搭建好后，开始配置端口参数。首先设置串口传输的波特率为 115200，字长为 8 位，l位停止位，无校验位。在对串口初始化后，打开串口的中断响应函数，完成串口配置。

中断控制器的配置 ：开启 USART 全局中断，使能串口再初始化。

3.2 通信功能的实现

通信功能的实现主要涉及 AT 命令和串口的读写。AT命令是主控芯片 STM32 和 BC28 之间的通信协议，完成对BC28 的控制，串口命令是主控与传感器之间的通信协议。

通信功能实现流程 ：

（1）系统初始化完成后检查采集指令，若无采集指令则进入休眠节电状态，若有，则打开 I/O 采集传感器数据 ；

（2）数据采集完成后，与加密模块交换数据并加密 ；

（3）加密完成后，检查 BC28 是否正常开通，若未正常开通，则进入等待，若正常开通则启动通信 ；

（4）数据通信完成后，检查是否有新的采集指令，这一过程循环进行。

系统通信流程如图 5 所示。

4 测试效果

终端开发完成后，团队利用中国电信的测试卡进行了室内和室外测试，分别将终端放置于地下电缆沟及地下室内，同时接入温度、湿度和局部放电传感器进行测试。采集和通信时间间隔分别设定为 10 s，60 s，300 s，对信号的穿透性、准确性、一致性进行了统计，与其他无线通信方式（ZigBee，GPRS）相比，发现此终端在其他无线通信方式丢失部分或全部数据的情况下，仍保持较高的数据通信质量，实现了高等级的数据加密，且耗费电能更少。因此，本文提出的通信终端能很好地满足配电物联网数据通信的需求。

5 结 语

本文基于窄带物联网技术设计的配电网监测通信终端将STM32 作为主控芯片，结合 NB-IoT 芯片与加密芯片等，实现了各类传感器数据的广域网通信。经多次对比测试，本终端具有数据传输稳定、功耗低等优点。同时，本设计采用了成本较低、适应高压电力环境的芯片和模块，市场竞争优势明显，在配电物联网领域极具推广价值，将大幅减少电力系统的运营成本，产生较高的经济效益。