一种基于NB-IoT低功耗模块化信息传输处理方法与流程

本发明涉及一种信息传输处理方法，特别是关于一种在热力领域中应用的基于nb-iot的低功耗模块化信息传输处理方法。

背景技术：

nb-iot(基于蜂窝的窄带物联网)作为一个全新的窄带物联网项目，给整个社会带来的全新变化是不言而喻的，对全中国乃至全世界必将产生深远的影响。在智能电表及其相关领域，nb-iot比lora更为适用于移动性支持不强的应用场景(如智能抄表、智能停车等)，同时简化终端的复杂度、降低终端功耗。

在智能电表领域相关的公司和部门需要高速率的数据传输、频繁的通信和低延迟。由于电表是由电源供电的，所以并没有超低功耗和长电池使用寿命的需求。并且还需要对线网进行实时监控以便发现隐患时及时处理。lorawan的classc可以实现低延迟，但是对于高传输速率和频繁通信的需求nb-iot是更适合于智能电表的选择。并且电表一般安装在人口密集的地区的固定位置，所以对于运营商部网也较为容易。

同步的通信协议在较短的下行延迟方面具有优势，同时nb-iot可以为需要大量数据吞吐量的应用提供快速的数据传输速率。而lorawan的classb通过定期地(编程实现)唤醒终端以收取下行消息而缩短了下行通信的延迟。所以对于需要频繁通信、较短的延迟或者较大数据量的应用来说nb-iot或许是更好的选择，而对于需要较低的成本、较高的电池寿命和通信并不频繁的场景来说lora更好。

就目前而言，在整个热力行业，基于nb-iot的结构模块化终端产品并不存在，如何以nb-iot终端产品结构模块化为主要研究方向，开发出适应热力行业不同需求的模块组合型终端产品，争取让nb-iot技术在热力行业实现技术突破、应用突破成为目前亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于nb-iot的低功耗模块化信息传输处理方法，其能减少大规模的建设投资，使供热网更加安全稳定的运行和优化调度；具有较好的经济效益和社会效益。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于nb-iot的低功耗模块化信息传输处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设置一包括用户室内温度计量模块、热力管网测量模块、热计量模块、井盖数字化状态监控模块、控制芯片和nb-iot通信模块的处理系统；控制芯片内置有mcu；

2)上电后，开始各模块初始化，利用nb-iot通信模块获取当前时间，判断当前时间是否在供暖期内，如是，则进入深度睡眠模式，如否，则正常工作；

3)采用串口中断检测对应位置数据接收状态的方式来判断本次控制芯片所连接的模块类别；

4)控制芯片识别出相应模块类别后，调用各模块的控制子程序，对于目标环境信息进行有效地传输与处理；

5)mcu根据预先设定的时间接收各模块传输的数据并存储，判断接收到的数据是否存在异常，对存在异常的数据进行丢弃；

6)更改接收到的正常数据格式，使之符合物联网云平台的数据接收标准；

7)mcu控制nb-iot通信模块发送数据，数据依次经nb-iot基站、iot核心网传输至物联网云平台，最终到达前端页面进行数据展示。

进一步，所述控制芯片上设置有spi接口、sht11接口、rs485接口和adc接口。

进一步，所述步骤4)中，用户室内温度计量控制子程序的工作环境为接受供暖的用户室内，并采用sht11温度传感器对用户室内的温度进行监测，sht11温度传感器与控制芯片上的sht11接口连接。

进一步，所述用户室内温度计量控制子程序控制过程包括以下步骤：

(1)开始上电，用户室内温度计量模块初始化；

(2)请求控制芯片内的系统时钟，并根据供暖季节判断mcu是否处于深度休眠，是，则mcu计时一天，并重新请求控制芯片内的系统时钟；否，则进入下一步；

(3)mcu每十分钟接收sht11温度传感器数据并存储数据，nb-iot通信模块每十分钟上传一次数据，当室内温度发生剧烈变化时，取其10分钟内平均温度进行一次状态传送，所传送的数据通过数据接口传送到物联网云平台；

(4)判断接收到的数据data[i]是否大于warningdata，大于，则发送data[i]和警报，并设置发送时间为i，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(5)判断|data[i]-data[i-5]|＞5，若大于则发送e(data[i-9]+…+data[i])，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(6)判断计时器i！是否等于sendtime+10，等于则返回步骤(3)，反之则发送data[i]，并设置发送时间为i，重新请求系统时钟。

进一步，所述步骤4)中，热力管网测量控制子程序的工作环境为热力管网内，使用adc接口采集温度表和压力表的数据。

进一步，所述热力管网测量控制子程序的控制过程包括以下步骤：

(1)开始上电，热力管网测量模块初始化；

(2)请求控制芯片内的系统时钟，并根据供暖季节判断mcu是否处于深度休眠，是，则mcu计时一天，并重新请求控制芯片内的系统时钟；否，则进入下一步；

(3)mcu每十分钟接收温度表和压力表数据并存储数据，nb-iot通信模块每十分钟上传一次数据，当测量的参数出现剧烈变化时，其数值变化超过设定阀值时，进行即时连接传送，连接传送时间为1分钟，所传送的数据通过数据接口传送到物联网云平台；

(4)判断接收到的温度是否大于预先设定的阈值，大于则发送温度数据和警报，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(5)判断|data[i]-data[i-5]|＞x，若大于则进行即时连接传送，连接传送时间为30s，并设置发送时间为i，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(6)判断i！(计时器)是否等于sendtime+10，等于则返回步骤(3)，反之则发送data[i]，并设置发送时间为i，重新请求系统时钟。

进一步，所述步骤4)中，热计量控制子程序的工作环境为居民楼的楼道内，使用rs485接口采集热计量表所传数据，数据包括热计量值以及流量值。

进一步，所述热计量控制子程序的控制过程包括以下步骤：

(1)开始上电，用户室内温度计量模块初始化；

(2)请求控制芯片内的系统时钟，并根据供暖季节判断mcu是否处于深度休眠，是，则mcu计时一天，并重新请求控制芯片内的系统时钟；否，则进入下一步；

(3)mcu每十分钟接收热计量表采集的热计量值和流量值数据并存储数据，nb-iot通信模块每十分钟上传一次数据，当测量的参数出现剧烈变化时，其数值变化超过设定阀值时，进行即时连接传送，连接传送时间为1分钟，所传送的数据通过数据接口平台传送到物联网云平台；

(4)判断接收到的温度是否大于预先设定的阈值，大于则发送温度数据和警报，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(5)判断|data[i]-data[i-5]|＞x，若大于则进行即时连接传送，连接传送时间为30s，并设置发送时间为i，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(6)判断i(计时器)！是否等于sendtime+10，等于则返回步骤(3)，反之则发送data[i]，并设置发送时间为i，重新请求系统时钟。

进一步，所述步骤4)中，井盖数字化状态监控控制子程序的工作环境为市区内井盖内部，使用spi接口采集三轴传感器所传数据。

进一步，所述井盖数字化状态监控控制子程序的控制过程包括以下步骤：

(1)开始上电，完成mcu、三轴传感器和nb-iot通信模块初始化；

(2)mcu处于低功耗睡眠模式，nb-iot通信模块处于待机模式；

(3)判断三轴传感器是否检测到异常震动，若检测到，则井盖状态发生变化，由spi接口将中断事件输出到mcu，唤醒mcu处于低功耗运行模式；反之，则进入下一步；

(4)判断mcu时钟计时器是否到达24小时，到达则由spi中断接口输出到mcu，唤醒mcu处于低功耗运行模式；反之，则返回步骤(2)；

(5)唤醒mcu处于低功耗运行模式后，nb-iot通信模块唤醒到主动模式，由nb-iot通信模块发送数据到物联网云平台；

(6)判断数据是否发送成功，否则返回步骤(5)，发送成功则返回步骤(2)。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括数字井盖、数字室内测温、数字热计量和热力管网测量四个部分；每个部分的现场环境和场景需求都不同，能减少大规模的建设投资，使供热网更加安全稳定的运行和优化调度。2、本发明在井盖数字化状态监控、用户室内温度计量、热计量和热力管网测量等诸多领域进行探索和研究，其所产生的经济效益和社会效益是巨大的，热计量系统的大规模应用，在绿色低碳环保、节约能源领域必会产生非常积极的意；热力管网测量技术的最终实现，不但可以减少大规模的建设投资，还可以使供热网更加安全稳定的运行和优化调度，具有较好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是本发明的用户室内温度计量流程示意图；

图3是本发明的热力管网测量流程示意图；

图4是本发明的热计量流程示意图；

图5是本发明的井盖数字化状态监控流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种基于nb-iot的低功耗模块化信息传输处理方法，其包括以下步骤：

1)设置一包括用户室内温度计量模块、热力管网测量模块、热计量模块、井盖数字化状态监控模块、控制芯片和nb-iot通信模块的处理系统，其中，控制芯片内置有mcu；

2)上电后，开始各模块初始化，利用nb-iot通信模块获取当前时间，判断当前时间是否在供暖期内，如是，则进入深度睡眠模式，如否，则正常工作；nb-iot通信模块平时工作在睡眠模式，定期唤醒发送数据来达到降低功耗的目的。

3)采用串口中断检测对应位置数据接收状态的方式来判断本次控制芯片所连接的模块类别；

由于各模块分别使用不同的数据传输方式，即每种模块使用的与控制芯片所连接的数据接口类型不同，且每种模块的应用场景不同，采用串口中断的方法可以根据不同的串口对模块类别做出一对一映射式判断。在此过程中，控制芯片并没有发生任何变化，nb-iot通信模块并未发生变化，控制芯片中依旧可以存储，只需要进行不同模块控制子程序的切换，进而通过模块化设计实现一板多用，即使用同一块携带nb-iot通信模块的控制芯片的情况下，通过接入不同的模块，接入电源，模块初始化之后，系统可以进入正常的工作状态，实现对于环境信息的传输与处理，且不受其他条件所影响。

4)控制芯片识别出相应模块类别后，调用各模块的控制子程序，对于目标环境信息进行有效地传输与处理；

控制子程序包括用户室内温度计量控制子程序、热力管网测量控制子程序、热计量控制子程序和井盖数字化状态监控控制子程序；

每当需求更改时，即需要获取的环境信息类别发生变化时，仅需要更换模块的控制子程序，模块初始化之后，可以再一次进入正常的工作状态。

5)mcu根据预先设定的时间接收各模块传输的数据并存储，判断接收到的数据是否存在异常，对存在异常的数据进行丢弃。

6)更改接收到的正常数据格式，使之符合物联网云平台的数据接收标准；

7)mcu控制nb-iot通信模块发送数据，发送协议为coap，数据依次经nb-iot基站、iot核心网传输至物联网云平台，最终到达前端页面进行数据展示。

上述各步骤中，控制芯片上内置的mcu根据预先设定的时间来接收各模块传输的数据并存储。控制芯片上设置有spi接口、sht11接口、rs485接口和adc接口等多种类型的数据接口。

上述各步骤中，用户室内温度计量模块通过sht11接口与控制芯片连接，用户室内温度计量模块内设置有sht11温度传感器对用户室内的温度进行监测；热力管网测量模块通过adc接口与控制芯片连接，热力管网测量模块内设置有温度表和压力表进行环境数据采集；热计量模块通过rs485接口与控制芯片连接，热计量模块内设置有热计量表进行环境数据采集；井盖数字化状态监控模块通过spi接口与控制芯片连接，井盖数字化状态监控模块内设置有三轴传感器进行环境数据采集，在本实施例中，三轴传感器采用型号为lis3dh的传感器。控制芯片在开启工作后，通过扫描上述四类接口对应的串口位置来获取所连接模块的类别，在获取类别之后开启响应的工作。

上述步骤4)中，如图2所示，用户室内温度计量控制子程序的工作环境为接受供暖的用户室内，并采用sht11温度传感器对用户室内的温度进行监测，sht11温度传感器与控制芯片上的sht11接口连接，具体控制过程如下：

(1)开始上电，用户室内温度计量模块初始化：配置频段、工作模式和检查参数等；

(2)请求控制芯片内的系统时钟，并根据供暖季节判断mcu是否处于深度休眠，是，则mcu计时一天，并重新请求控制芯片内的系统时钟；否，则进入下一步；

数据传送是根据供暖季节进行设定(11月10日至下一年的3月20日)，在非供暖期内mcu进入深度睡眠模式以节约功耗。

(3)mcu每十分钟接收sht11温度传感器数据并存储数据；

nb-iot通信模块每十分钟上传一次数据，当室内温度发生剧烈变化时，取其10分钟内平均温度进行一次状态传送，所传送的数据通过数据接口传送到物联网云平台。

(4)判断接收到的传感器数据data[i]是否大于报警数据warningdata，大于，则发送data[i](传感器的数据)和警报，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(5)判断|data[i]-data[i-5]|＞5，若大于则发送e(data[i-9]+…+data[i])，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(6)判断i！(计时器)是否等于设定的发送时间sendtime+10，等于则返回步骤(3)，反之则发送data[i]，并设置发送时间为i，重新请求系统时钟。

上述步骤4)中，如图3所示，热力管网测量控制子程序的工作环境为热力管网内，使用adc接口采集温度表和压力表的数据，具体控制过程如下：

(1)开始上电，热力管网测量模块初始化：配置频段、工作模式和检查参数等；

(2)请求控制芯片内的系统时钟，并根据供暖季节判断mcu是否处于深度休眠，是，则mcu计时一天，并重新请求控制芯片内的系统时钟；否，则进入下一步；

数据传送是根据供暖季节进行设定(11月10日至下一年的3月20日)，在非供暖期内mcu进入深度睡眠模式以节约功耗。

(3)mcu每十分钟接收温度表和压力表数据并存储数据；

nb-iot通信模块每十分钟上传一次数据，当测量的参数出现剧烈变化时，其数值变化超过设定阀值时，进行即时连接传送，连接传送时间为1分钟，所传送的数据通过数据接口传送到物联网云平台。

(4)判断接收到的温度是否大于预先设定的阈值，大于则发送温度数据和警报，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(5)判断|data[i]-data[i-5]|＞x(x为设置的变化量)，若大于则进行即时连接传送，连接传送时间为30s，并设置发送时间为i，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(6)判断i！(计时器)是否等于sendtime+10，等于则返回步骤(3)，反之则发送data[i]，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟。

上述步骤4)中，如图4所示，热计量控制子程序的工作环境为居民楼的楼道内，使用rs485接口采集热计量表所传数据，数据包括热计量值以及流量值，具体控制过程如下：

(1)开始上电，用户室内温度计量模块初始化：配置频段、工作模式和检查参数等；

(2)请求控制芯片内的系统时钟，并根据供暖季节判断mcu是否处于深度休眠，是，则mcu计时一天，并重新请求控制芯片内的系统时钟；否，则进入下一步；

数据传送是根据供暖季节进行设定(11月10日至下一年的3月20日)，在非供暖期内mcu进入深度睡眠模式以节约功耗。

(3)mcu每十分钟接收热计量表采集的热计量值和流量值数据并存储数据；

nb-iot通信模块每十分钟上传一次数据，当测量的参数出现剧烈变化时，其数值变化超过设定阀值时，进行即时连接传送，连接传送时间为1分钟，所传送的数据通过数据接口平台传送到物联网云平台。

(4)判断接收到的温度是否大于预先设定的阈值，大于则发送温度数据和警报，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(5)判断|data[i]-data[i-5]|＞x，若大于则进行即时连接传送，连接传送时间为30s，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟；反之，则进入下一步；

(6)判断计时器i！是否等于sendtime+10，等于则返回步骤(3)，反之则发送data[i]，并设置发送时间为i(计时器)，重新请求系统时钟。

上述步骤4)中，如图5所示，井盖数字化状态监控控制子程序的工作环境为市区内井盖内部，使用spi接口采集三轴传感器所传数据，具体控制过程如下：

(1)开始上电，完成mcu、三轴传感器(lis3dh)和nb-iot通信模块初始化；

(2)mcu处于低功耗睡眠模式，nb-iot通信模块处于待机模式；

(3)判断三轴传感器是否检测到异常震动，若检测到，则井盖状态发生变化，由spi接口将中断事件输出到mcu，唤醒mcu处于低功耗运行模式；反之，则进入下一步，

井盖数字化状态监控模块常年工作，平时工作在睡眠模式，定期唤醒发送数据来达到降低功耗的目的。

(4)判断mcu时钟计时器是否到达24小时，到达则由spi中断接口输出到mcu，唤醒mcu处于低功耗运行模式；反之，则返回步骤(2)；

(5)唤醒mcu处于低功耗运行模式后，nb-iot通信模块唤醒到主动模式，由nb-iot通信模块发送数据到物联网云平台；

(6)判断数据是否发送成功，否则返回步骤(5)，发送成功则返回步骤(2)。

上述各步骤中，由于系统消耗的能量与数据量或速率有关，单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。nb-iot通信模块内设置有edrx省电模式和psm省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间。nb-iot通信模块可以让设备时时在线，但是通过减少不必要的信令和在psm状态时不接受寻呼信息来达到省电目的：在psm模式下，nb-iot通信模块仍旧注册在网，但信令不可达，从而使nb-iot通信模块更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的；在edrx省电模式下，进一步延长nb-iot通信模块在空闲模式下的睡眠周期，减少不必要的启动，相对于psm模式，edrx省电模式大幅度提升了下行可达性。

上述各步骤中，控制芯片采用型号为stm32l151的单片机。

上述各步骤中，nb-iot通信模块在控制芯片控制下工作，nb-iot通信模块在预先设定的时间段内进行数据发送，不工作时处于睡眠模式，以降低功耗。

上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。