一种基于NB‑IoT的电表数据采集系统的制作方法

本发明涉及nb-iot技术与电表数据采集技术，尤其涉及一种基于nb-iot的电表数据采集系统。

背景技术：

在我国广大的农村地区与许多建筑园区中，电力抄表系统仍然比较落后。往往采用传统的人工抄表方式进行电表数据的记录。采用人力的方式对多个电表的数据采集时无法在同一时间内统计各表的参数，在农村地区采集周期十分漫长，而且难以保证采集数据的准确率。不利于电力公司计算分析电力使用情况，使电力调度面临较大的困难。传统的抄表过程中，一般只能定期记录电表的电量数据，无法实时监测电表的电压，电流与功率等参数。当用户用电情况发生异常时不能及时报警，增加了用电的安全隐患与电力公司的管理难度。

基于有线方式的电力抄表装置中通过通信数据线将各电表连接至采集器，有线连接的采集方式一般适用于用户集中的居民小区。对于电表分布集中度不高的地区需要进行远程布线，增加了采集系统的施工难度与成本。因此基于有线的电力抄表装置仍然收到较大的地理环境限制。

基于gprs的无线电力抄表装置是通过运营商网络进行电量数据的传输的，数据通过传统蜂窝网络传输至采集器。采集器的分布收到蜂窝网络信号的制约。即使在信号良好的地区分布时，gprs终端数量过多，极容易造成网络拥堵甚至崩溃，对移动蜂窝网络造成影响。另一方面，gprs终端相对于轻量化的采集设备而言具有较大的功耗。电池电量损耗快，增加了采集装置的运维成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于nb-iot的电表数据采集系统。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：一种基于nb-iot的电表数据采集系统，该系统包括电表通信控制模块、主控制器、电源模块、nb模组、物联网云平台、数据服务器与用户终端；

电表通信控制模块通过rs485协议与电表之间双向通信，通过采集器实现电表数据的读取与电表状态的控制；所述电表状态的控制包括电表的拉闸、合闸、保电；

主控制器实现系统不同任务的调度，并控制数据的采集频率；主控制器通过电表通信控制模块向电表下发读取电量数据的指令后监听电表的返回数据，然后对收到的数据包进行解码，提取有效数据，再向电表发送新的数据读取指令；在获取到该电表的所有用户指定的数据类型后主控制器改变电表地址，开始获取下一个电表的各项参数；当一个周期内数据获取完成后，主控制器将不同的电表的各项数据进行压缩，并按照nb模组的通信协议进行打包，加入安全验证密钥后，将完整的数据包按照nb模组的协议要求发送至nb模组；接收nb模组解析的有效用户指令，根据用户指令控制电表进入不同的工作状态；

nb模组收到主控制器的数据包后被激活，从休眠状态切换至工作状态，将接收到的数据包发送到物联网云平台；接收并解析物联网云平台下发的用户指令数据；

物联网云平台收到数据包时，首先对数据包进行校验与识别，滤掉不合法的数据包文；在合法的数据包中解析出有效数据并将数据储存在物联网云平台上，同时可根据用户要求将有效数据推送至用户的数据服务器和用户终端；物联网云平台还可以接收用户终端发送的用户指令，将用户指令下发至nb模组。

进一步地，所述的数据采集基于nb-iot技术，系统网络通信设备为nb-iot模组。模组型号为bc95-cm:b8。模组正常工作电压范围为3.1～4.2v，休眠状态下工作电流低至10ua。模组实现数据通信的信号灵敏度可低至-135dbm，使模组的通信范围大大增加。模组具备两个uart接口和一个adc接口，uart接口用于模组与主控制器间的双向通信与模组的固件升级。adc接口可用于系统电量监测。bc95-cm:b8支持900mhz频段，通过移动蜂窝网络技术接入核心网，然后经路由、防火墙与公网连接。实现设备终端与云平台的双向通信。

进一步地，在采集器获取电表数据后，通过加密算法保证用户数据的安全；由于用户电量相关数据是国家电网中重要数据，涉及到国家基础建设与电网系统的安全；主控制器将多个电表的数据按照nb模组的通信要求压缩与打包后，加入安全验证密钥，再将完整的数据包发送至物联网云平台；用户获取数据包后，进行安全密钥匹配，只有在验证通过后才能获取电量数据。

进一步地，所述主控制器为ti公司推出的超低功耗微控制器msp430fr5969；微控制器带有64kb的超低功耗铁电ram，休眠模式下电流低至0.4ua；工作电压范围为1.8～3.6v；

主控制器上电后，首先对硬件接口进行初始化，完成串口波特率与校验位的配置；然后对nb模组进行配置，激活nb模组进入工作状态，搜索nb网络信号，并完成入网操作；nb模组接入网络后，主控制器开始执行连接物联网云平台操作，使nb模组接入用户指定的物联网云平台；nb模组连接到物联网云平台并向物联网云平台发送验证信息，验证成功时物联网云平台下发校验成功指令；

主控制器收到校验成功消息后开始读取电表的数据，依次向电表通信控制模块发送电流、电压、电量读取指令，同时监听电表的数据返回，并对返回数据包进行解码；对所有的电表节点进行轮询，然后将不同的电表数据进行压缩；根据nb模组的通信协议要求生成完整的数据包文；主控制器通过uart接口将完整的数据包发送给nb模组后进入休眠状态，等待下一次rtc闹钟唤醒或uart中断指令唤醒；当主控制器处于休眠状态时，用户下发的指令由物联网云平台下发至nb模组；nb模组完整接收指令的解码工作，并将有效指令数据发送至主控制器uart；主控制器被激活，解析指令数据，获得用户指令并对命令作出响应与应答。

进一步地，电表数据在物联网云平台完成解析与储存，同时可推送至用户的数据服务器与用户终端；

首先，采集器控制nb模组连接到iotcloudplatform，需要2个步骤：北向注册和南部绑定。北向注册是在iotcloudplatform上创建一个虚拟采集设备；此步骤要求用户终端(例如网站)发送一个http或https请求到iotcloudplatform，其身份包括采集器的imei号码，实现采集器的云平台注册。南边绑定是将一个采集器终端与iotcloudplatform上注册的虚拟采集设备进行绑定。当采集器将数据发送到iotcloudplatform时，会向iotcloudplatform发送校验数据，包括采集设备的imei号码，以便iotcloudplatform可以匹配到实际的采集器。为了提高安全性，需要对采集器中的数据进行编码，并对接收端(iotcloudplatform)中的数据进行解码。

第二，用户终端读取从采集器接收的数据。当iotcloudplatform从采集器接收数据时，将会向服务器发送其主体包含数据的发布请求；服务器将数据存储在其数据库中，需要时，用户终端直接从服务器的数据库获取数据。

第三，用户终端向采集器发送命令。用户终端向iotcloudplatform发送一个包含命令的https请求，然后iotcloudplatform将该命令发送到采集器。采集器接收命令时，它将执行命令并将电表状态返回到iotcloudplatform。之后，iotcloudplatform将设备的状态发送到用户的数据服务器，以便用户可以找到有关设备是否正确执行命令的信息。

进一步地，用户终端从物联网云平台或用户的数据服务器获取采集器的数据，并在物联网云平台实现对电表数据的监控与分析；用户终端可对电表进行充值、拉闸、合闸操作；当电表数据出现异常情况，用户终端根据数据的分析结果及时给用户提供警告信息，同时向采集器下发安全维护指令；用户终端包括管理端与用户端，管理端可对采集系统在线裁剪，在线添加任意数量的采集器，配置采集器搭载的电表数量(每个采集器最大可以支持32个电表)，并可查找指定电表，设置数据上传频率或者对指定电表进行删除操作，同时根据用户要求获取用户指定的电表数据；用户端以可视化图形界面显示用户电量信息与消费情况。

本发明的有益效果是：基于nb-iot的电表数据采集系统实现了对电表的数据采集监测与电表状态控制。采集系统通过模组接入nb网络，将电表数据上传至云平台，并推送至用户服务器与用户终端。用户在云端可以对电表数据管理监测与控制。采集系统接入nb网络，具有非常高的灵敏度。可在极弱的信号强度下实现数据传输，分布范围不受地区的限制。同时系统采用超低功耗的微处理器与nb网络模组，摆脱了电池需要长期维护的问题，降低了采集系统的运成本。采用本系统进行电力数据自动采集，避免了传统抄表方式中巨大的人力消耗与物力消耗，大大提高了电表管理系统的自动化与智能化水平。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的云平台结构图；

图3是本发明的nb-iot模组的电路图；

图4是本发明的主控制器的电路图；

图5是本发明的电源模块的电路图；

图6是本发明的电表通信控制模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于nb-iot的电表数据采集系统，包括电表通信控制模块、主控制器、电源模块、nb模组、物联网云平台、数据服务器与用户终端；

电表通信控制模块通过rs485协议与电表之间双向通信，通过采集器实现电表数据的读取与电表状态的控制；所述电表状态的控制包括电表的拉闸、合闸、保电；

主控制器实现系统不同任务的调度，并控制数据的采集频率；主控制器通过电表通信控制模块向电表下发读取电量数据的指令后监听电表的返回数据，然后对收到的数据包进行解码，提取有效数据，再向电表发送新的数据读取指令；在获取到该电表的所有用户指定的数据类型后主控制器改变电表地址，开始获取下一个电表的各项参数；当一个周期内数据获取完成后，主控制器将不同的电表的各项数据进行压缩，并按照nb模组的通信协议进行打包，加入安全验证密钥后，将完整的数据包按照nb模组的协议要求发送至nb模组；接收nb模组解析的有效用户指令，根据用户指令控制电表进入不同的工作状态；

nb模组收到主控制器的数据包后被激活，从休眠状态切换至工作状态，将接收到的数据包发送到物联网云平台；接收并解析物联网云平台下发的用户指令数据；

物联网云平台收到数据包时，首先对数据包进行校验与识别，滤掉不合法的数据包文；在合法的数据包中解析出有效数据并将数据储存在物联网云平台上，同时可根据用户要求将有效数据推送至用户的数据服务器和用户终端；物联网云平台还可以接收用户终端发送的用户指令，将用户指令下发至nb模组。

本发明系统实现了在极地功耗与nb信号环境下多组电表的数据采集与监控，使电表的监控与管理在云端完成。

如图2所示，系统在用户终端(网页应用程序或微信应用程序)实现管理操作。用户终端从物联网云平台或用户的数据服务器获取采集器的数据，并在物联网云平台实现对电表数据的监控与分析；用户终端可对电表进行充值、拉闸、合闸操作；当电表数据出现异常情况，用户终端根据数据的分析结果及时给用户提供警告信息，同时向采集器下发安全维护指令；用户终端包括管理端与用户端，管理端可对采集系统在线裁剪，在线添加任意数量的采集器，配置采集器搭载的电表数量(每个采集器最大可以支持32个电表)，并可查找指定电表，设置数据上传频率或者对指定电表进行删除操作，同时根据用户要求获取用户指定的电表数据；用户端以可视化图形界面显示用户电量信息与消费情况。

如图3所示，本发明采用网络通信设备为nb-iot模组。模组型号为bc95-cm:b8。模组3.1～4.2v的宽电压范围下工作。模组休眠状态下工作电流低至10ua，实现数据通信的信号灵敏度可低至-135dbm，使模组的通信范围大大增加。模组具备两个uart接口和一个adc接口，uart接口用于模组与主控制器间的双向通信与模组的固件升级。adc接口可用于系统电量监测。bc95-cm:b8支持900mhz频段，通过移动蜂窝网络技术接入核心网，然后经路由，防火墙与公网连接。实现设备终端与云平台的双向通信。

如图4所示，主控制器为ti公司推出的超低功耗微控制器msp430fr5969；微控制器带有64kb的超低功耗铁电ram，休眠模式下电流低至0.4ua；工作电压范围为1.8～3.6v；微控制器具有多个串口与定时器资源，内嵌rtc时钟模块。休眠模式下支持串口中断唤醒与rtc闹钟唤醒。主控制器上电后，首先对硬件接口进行初始化，完成串口波特率与校验位的配置；然后对nb模组进行配置，激活nb模组进入工作状态，搜索nb网络信号，并完成入网操作；nb模组接入网络后，主控制器开始执行连接物联网云平台操作，使nb模组接入用户指定的物联网云平台；nb模组连接到物联网云平台并向物联网云平台发送验证信息，验证成功时物联网云平台下发校验成功指令；

主控制器收到校验成功消息后开始读取电表的数据，依次向电表通信控制模块发送电流、电压、电量读取指令，同时监听电表的数据返回，并对返回数据包进行解码；对所有的电表节点进行轮询，然后将不同的电表数据进行压缩；根据nb模组的通信协议要求生成完整的数据包文；主控制器通过uart接口将完整的数据包发送给nb模组后进入休眠状态，等待下一次rtc闹钟唤醒或uart中断指令唤醒；当主控制器处于休眠状态时，用户下发的指令由物联网云平台下发至nb模组；nb模组完整接收指令的解码工作，并将有效指令数据发送至主控制器uart；主控制器被激活，解析指令数据，获得用户指令并对命令作出响应与应答。

主控制器工作过程如下：

(1)初始化操作：系统时钟配置；微控制器串口初始化，设置串口通信波特率与校验位，使能串口中断；rtc初始化，设置系统时间，与闹钟唤醒时间也就是休眠时间。

(2)模组入网操作：激活模组进入工作模式，配置模组入网参数，模组接入nb核心网；然后设置模组对接的物联网云平台。

(3)休眠操作：nb模组进入休眠模式，微控制器进入休眠模式，此时通信模组不会发送任何数据，微控制器不会读取传感器数据。

(4)电表数据采样操作：闹钟事件发生后，微控制器控制电表通信控制模块，向电表发送电量读取指令，然后监听电表数据返回；再向电表发送电压读取指令并监听电表数据返回；最后向电表发送电流读取指令，监听电表数据返回。对电表返回的数据包进行解析，将有效数据存储在fram中。然后对第二个电表进行同样的数据读取、解析、存储操作。获得所有电表数据。

(5)发送数据操作：微控制器唤醒nb通信模组，并把有效数据处理成完整的数据包；再将数据包发送至nb模组。模组将数据上发至物联网云平台。

本发明的具体实施过程如下：搭建并安装上述系统。先完成云平台上的终端北向注册与南向绑定，在用户程序与服务器中添加终端的设备信息。然后连接电源至采集终端，安装天线，连接电表至终端电表通信控制器引脚，给终端与电表上电，系统开始运行。登录云平台管理界面，终端上报数据后，云平台显示终端设备为在线状态。登录用户服务器查询终端上报数据情况。通过用户应用程序以图形与统计表格的方式显示各个电表的运行状态。