CN109389757A - 一种基于nb-iot调制解调器的智能燃气表专用模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用NB‑IOT调制解调器内部的多个ARM构成的MCU中的一个ARM核定义为智能燃表ARM,通过利用NB‑IOT调制解调器内部的一个ARM核实现了对智能燃气表的计量，通讯控制。且本发明是一种将燃气表机械计数器、脉冲计数模块及程序、IC卡取读模块及程序、可拓展接口及程序、阀门控制模块、阶梯气价计费模块、燃气使用安全智能模块、燃气报警器接信息处理模块、窃气报警模块组成、数据通讯协议模块及程序与NB‑IOT通讯功能集成到一个芯片的燃气表专用模组，本发明原理清晰，具有使用方便，功耗低，体积小，可靠性较高等优点，对于智能燃气表领域都具有较强的实用意义。对于以往NB模块构成的物联网智能燃气表存在的成本高、覆盖面少、连接数少等问题做出了改善。

Description

一种基于NB-IOT调制解调器的智能燃气表专用模组
技术领域
本发明涉及一种燃气表模组，特别是涉及一种基于NB-IOT调制解调器的智能燃气表专用模组。
背景技术
2016年3GPP会议制定了NB-IOT的行业标准（R13一部分），并于2017年推出商用模组，而根据NB-IOT的3GPP协议，传统的物联网传输采用2G网的GPRS技术，由于其发射功率大，功耗大，且链路运算不够高导致其覆盖面积窄，成本高，功耗大，难以满足智能燃气表使用电池供电，运行十年的技术要求。
采用物联网NB-IOT通讯技术可以解决以上问题，这是一项新型枝术与产品，而目前国内外使用NB-IOT模块与传统的2G网的GPRS通讯模块的应用方法一样，只是将NB-IOT模块来当做通讯部件来使用，因而只是在智能燃气表的MCU微功耗处理器构成的智能燃气表控制板上附加上NB-IOT通讯模块构成智能燃气表，采用这种方法的智能燃气表除需要NB-IOT模块外，还需要一个MCU智能燃气表控制板来实现计量计费功能、阀门控制功能、防窃用功能、IC卡读写功能、电池电压检测功能、数据存储功能及数据加密功能等，由此带来高成本、结构复杂、高功耗等问题。为了满足物联网智能燃气表，功耗小，成本低的市场需求，需要提供一种将智能燃气表功能与NB-IOT通讯模组集成的新型NB-IOT智能燃气表专用模组。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用NB-IOT调制解调器内部的多个ARM构成的MCU中的一个ARM核定义为智能燃表ARM,将燃气计量计费功能模块、阀门控制功能模块、电压检测功能模块、IC卡读写功能功能模块、数据存储功能模块、防窃用功能模块，数据传输功能模块，液晶数据显示模块等， 在ARM中实现与NB-IOT调制解调芯片集成在一起，在物联网智能燃气表看来就像一个独立的智能燃气表MCU一样，实现智能燃气表全部功能，并且能够完成NB-IOT通讯功能，智能燃气专用NB-IOT通讯模组无需在NB-IOT通讯模组外附其他MCU，本发明解决了现在MCU智能燃气控制板与NB-IOT通讯模组构成的物联网智能燃气表，成本高、结构复杂、功耗大，电池成本高等问题。
一种基于NB-IOT调制解调器的智能燃气表专用模组，包括:信号功率放大电路、滤波器、双工开关、NB-IOT调制解调器、SIM卡接口模块、定义的智能燃气表ARM、数据存储功能模块、电池电量检测功能模块、燃气表机械计数器数据读出功能模块，脉冲计数功能模块、IC卡取读功能模块、可拓展接口功能模块，阀门控制功能模块、阶梯气价计费功能模块、燃气使用安全监测功能模块、燃气报警器接信息处理功能模块、窃气报警功能模块、液晶数据显示功能模块、数据安全加密解密功能模块等构成。
本发明的特征在于智能燃气表MCU是由NB-IOT调制解调器的内部的一个ARM核及程序存储器、存储器数组I/O接口等资源构成；
本发明的特征在于，此智能燃气表的全部功能由NB调制解调器内的ARM上的资源来实现；
根据前述特征所述，本发明的特征在于，智能燃气表数据传输功能由NB-IOT调制解调器的数据接口、控制接口与NB调制解调器内ARM定义的智能燃气表ARM的一个数据接口一个控制接口，以及通讯协议和程序构成，实现通讯控制与数据传输功能；电压电量检测功能由定义的智能燃气表ARM核中的一个数据接口与电压检测器及电压过低处理程序构成，实现电压检测功能及电池电压掉电处理功能；阀门控制功能，由定义的智能燃气表ARM核中的一个接口定义为阀门驱动接口与阀门驱动器相连，由阀门控制程序实现阀门的开关功能；
本发明的特征在于，智能燃气表IC卡取读功能模块由定义的智能燃气表ARM存储器中存储在程序存储器的IC卡读写程序和定义的IC卡I/O接口完成对IC卡的读写来实现预付费功能，该功能也可由上述I/O接口相联的NFC芯片及程序实现；
本发明的特征在于定义的智能燃气表ARM核中的一个I2C接口定义成显示接口与液晶驱动器，液晶显示器相联，在显示驱动程序驱动下用于显示物联网智能燃气表的用气量，预付费金额,阶梯气价,阀门状态，电池容量，NB网络信号强度信息等显示功能；
本发明的特征在于定义的智能燃气表ARM核中一个I/O接口定义为燃气漏气报警器接口与燃气漏气报警器相联，由燃气漏气报警处理程序一起实现漏气报警功能；
本发明的特征在于，定义的智能燃气表ARM核存储器存储的窃气处理程序根据燃气脉冲计数接口的状态进行窃气判断实现防窃功能；
本发明的特征还在于，定义的智能燃气表ARM核中的程序存储器的数据处理传输程序，将累计用气数据，用气流量数据，计量计费数据，阶梯用量阶梯价格数据，预费金额，阀门状态数据，电池容量数据，NB信号强度数据，漏气报警器状态，窃气状态等数据通过数据安全加密解密功能模块对数据进行加密，打包，通过 NB调制解调器，按照NB协议进行无线信号调制由功放天线，将数据线无线网络传输到后台，实现表具数据传输功能；
本发明的特征还在于数据安全加密解密功能模块的加密机制有别于NB调制解调器的数据空口加密安全机制,而是按燃气通讯协议进行加密，该项功能由数据加密算法实现，存储在定义的智能燃气表ARM中；
本发明的特征还在于定义的智能燃气表ARM核中的存储器存储的数据接收处理程序将NB调制解调器从天线接收的无线网络发来的无线信号进行解调的数据进行解密，解析，实现双向数据通讯及对定义的智能燃气表ARM进行控制，完成智能燃气表的各项功能；
模块上电后由NB-LOT芯片上的ARM芯片完成NB调制解调器的初始化，处于NB调制解调器的就绪状态，并且模块上电后定义智能燃气表ARM首先执行初始化程序，分别包括数据存储功能模块初始化、电池电量检测功能模块初始化、燃气表机械计数器功能模块初始化、IC卡读取功能模块初始化、燃气使用安全监测功能模块初始化，燃气报警器接信息处理功能模块初始化，液晶模块初始化。
初始化程序执行完毕后执行系统时钟配置程序，经过系统时钟配置完成内部需要时钟功能、端口初始化完成各个功能所需端口配置、看门狗定时器定时设置、外部存储器初始化及读取参数。之后单片机进入开启全局中断低功耗状态等待中断唤醒，程序进入到事件数组判断循环中，当发生中断时程序跳出循环进入中断判断程序，做出判断后程序会根据中断的具体内容分别对数据上传、欠压报警、窃器报警、漏气报警、开关阀门等功能的事件标志位进行更改，更改之后跳出中断根据标志位进行相关的事件操作。单片机被中断唤醒时首先判断中断类型，如果是外部中断再通过判断具体哪个端口引发中断，来设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能。通过外部中断触发的功能主要有电池电量检测功能、燃气表机械计数器功能，脉冲计数功能、IC卡读取功能、燃气使用安全监测功能、窃气报警功能。当程序发生定时器中断时，会根据一定时间间隔来执行相关功能，比较中断时刻的时间是否与预设功能时间相同，如果相同则设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能。当时间达到预设的上传时间时，NB-IOT调制解调器上电，并执行初始化程序，智能燃气表ARM核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台。如果程序检测出欠压、窃气、漏气等异常现象时，程序会进行报警并通过NB-IOT调制解调模块上传一条数据提醒使用者。同时在定时器中断中每隔一段时间系统会进行一次系统内部状态诊断，判断各个功能单元是否正常启动，各个拓展口是否被应用。如果有某些功能单元出现异常，智能燃气表ARM核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台通知相关人员进行维修操作。如果各功能单元正常启动则模块进入休眠状态并开启定时器，当模块侦听到NB基站发送来的消息或者程序设定的唤醒时间到达时模块会被唤醒，当模组被唤醒后，各个工作单元开始工作，其中NB-IOT解调模块对信号进行解调后通过串口线将数据传送给定义的智能燃气表ARM进行阀门控制，定义的智能燃气表ARM提取需要计算的数据传输给NB调制解调器的数据接口，将数据通过数据线发送给NB调制解调器，NB调制解调器将输出的信号经过滤波器双工开关天线等设备发送给上位机进行解析。
本发明的有益效果是：通过利用NB-IOT调制解调器内部的一个ARM核实现了对智能燃气表的计量，通讯控制，设计。且本发明是一种将燃气表机械计数器、脉冲计数模块及程序、IC卡取读模块及程序、可拓展接口及程序、阀门控制模块、阶梯气价计费模块、燃气使用安全智能模块、燃气报警器接信息处理模块、窃气报警模块组成、数据通讯协议模块及程序与NB-IOT通讯功能集成到一个芯片一体的燃气表专用NB模组，本发明具有原理清晰，具有使用方便，功耗低，体积小，可靠性较高等优点，对于智能燃气表领域都具有较强的实用意义。对于以往NB模块构成的物联网智能燃气表存在的成本高、覆盖面少、连接数少等问题做出了改善。
附图说明
图1是本发明的结构框图
图2是本发明的内部结构框图
图3是本发明的程序流程图
图1中： 信号功率放大电路1、滤波器2、双工开关3、定义智能燃气表ARM、数据存储功能模块5、电池电量检测功能模块6、NB-IOT调制解调器7、SIM卡接口模块8、燃气表机械计数器功能模块9，脉冲计数功能模块10、IC卡读取功能模块11、可拓展接口功能模块12、阀门控制功能模块13、阶梯气价计费功能模块14、燃气使用安全监测功能模块15、燃气报警器接信息处理功能模块16、窃气报警功能模块17、天线18、电源19、阀门20、液晶数据显示功能模块21、数据安全加密解密功能模块22。
具体实施方式
本发明串口接收到的信号发送给NB-IOT调制解调器7解调出数据，经NB-IOT调制解调器7的数据接口发送给定义的智能燃气表ARM4，定义的智能燃气表ARM4收到数据后由数据安全加密解密功能模块进行解密，然后按照数据指令和内容进行解析由各功能模块执行打包通讯协议等各项指令，当需要上传各项数据时由数据采集模块将数据发送给定义的智能燃气表ARM4，由数据处理程序将这些数据由NB-IOT调制解调器7将编码、调制后的信号通过串口发送出去。定义的智能燃气表ARM4内置数据安全模块将数据通过定义的智能燃气表ARM4中的加密算法对数据进行加密运算，这样可以有效的保证数据的安全性，使用户的数据安全得到保障。定义的智能燃气表ARM4将处理解析加密后的数据发送给数据存储模块5进行存储操作。同时定义的智能燃气表ARM4还可用来控制各模块；同样定义的智能燃气表ARM4及解密程序将智能燃气表中的数据进行加密，由定义的智能燃气表ARM及数据接口传输给NB调制解调器数字接口，经调制后的信号经串口传送给云端后台，定义的智能燃气表ARM4中嵌入了计费计量程序、脉冲计数程序，除此之外定义的智能燃气表ARM4还嵌入了控制领域常用算法。电池电量检测功能模块接口及程序对电源电量进行检测，实现电池电量实时监控功能及电池电压掉电处理功能；阀门控制功能模块及程序可以通过控制阀门驱动电路在阀门需要开关时对阀门进行开关操作；IC卡读取功能模块接口及程序用于读取IC卡命令数据，实现对燃气表的充值、调价、数据反馈等；液晶数据显示功能模块及程序可实现用户用气数据信息、预付费信息、价格信息、燃气表运行状态等信息的显示，可实现异常报警信息提示及显示功能；燃气使用安全检测功能模块接口及程序可实现对燃气表使用过程中的超大流、恒流、超小流的实时监控，结合阀门的控制实现安全用气，当出现安全问题时可由NB模块发出无线信息，再由云端处理提出警示信息和推送到用户的移动客户端；窃气报警功能模块及程序，可实现对燃气表包括但不限于强磁攻击、外力冲击、非常规手段开启燃气表壳体等过程的记录及报警并将数据发送给云端提示报警；脉冲计数功能模块接口及程序通过脉冲实现机电转换，完成用气流量计量监测功能；阶梯气价计费功能模块及程序对燃气使用价格实现阶梯计量收费，可实现按时间、按量等多组阶梯价格方案，可实现正阶梯及负阶梯；燃气表机械计数器功能模块及数据读取程序通过光电原理对机械论数据进行采样，采用360°光电采样方式，实现单个字轮0至9的全部数字采集，可实现机械字轮5位整数位或6位整数位的可靠读取；SIM卡接口功能模块及程序通过与NB模块对应的SIM卡通讯脚连接达到对SIM卡信息进行读写实现通信网络的注册与管理；可拓展接口功能模块为以后新需求提供备用接口，可实现应用功能的扩展及技术方案的升级。
模块上电后由NB-LOT芯片上的SOC完成NB调制解调器的初始化，处于NB调制解调器的就绪状态，并且模块上电后定义智能燃气表ARM首先执行初始化程序，分别包括数据存储功能模块初始化、电池电量检测功能模块初始化、燃气表机械计数器功能模块初始化、IC卡读取功能模块初始化、燃气使用安全监测功能模块初始化，燃气报警器接信息处理功能模块初始化，液晶模块初始化。
初始化程序执行完毕后执行系统时钟配置程序，经过系统时钟配置完成内部需要时钟功能、端口初始化完成各个功能所需端口配置、看门狗定时器定时设置、外部存储器初始化及读取参数。之后单片机进入开启全局中断低功耗状态等待中断唤醒，程序进入到事件数组判断循环中，当发生中断时程序跳出循环进入中断判断程序，做出判断后程序会根据中断的具体内容分别对数据上传、欠压报警、窃器报警、漏气报警、开关阀门等功能的事件标志位进行更改，更改之后跳出中断根据标志位进行相关的事件操作。单片机被中断唤醒时首先判断中断类型，如果是外部中断再通过判断具体哪个端口引发中断，来设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能。通过外部中断触发的功能主要有电池电量检测功能、燃气表机械计数器功能，脉冲计数功能、IC卡读取功能、燃气使用安全监测功能、窃气报警功能。当程序发生定时器中断时，会根据一定时间间隔来执行相关功能，比较中断时刻的时间是否与预设功能时间相同，如果相同则设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能。当时间达到预设的上传时间时，NB-IOT调制解调器上电，并执行初始化程序，智能燃气表ARM核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台。如果程序检测出欠压、窃气、漏气等异常现象时，程序会进行报警并通过NB-IOT调制解调模块上传一条数据提醒使用者。同时在定时器中断中每隔一段时间系统会进行一次系统内部状态诊断，判断各个功能单元是否正常启动，各个拓展口是否被应用。如果有某些功能单元出现异常，智能燃气表ARM核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台通知相关人员进行维修操作。如果各功能单元正常启动则模块进入休眠状态并开启定时器，当模块侦听到NB基站发送来的消息或者程序设定的唤醒时间到达时模块会被唤醒，当模组被唤醒后，各个工作单元开始工作，其中NB-IOT解调模块对信号进行解调后通过串口线将数据传送给定义的智能燃气表ARM进行阀门控制，定义的智能燃气表ARM提取需要计算的数据传输给NB调制解调器的数据接口，将数据通过数据线发送给NB调制解调器，NB调制解调器将输出的信号经过滤波器双工开关天线等设备发送给上位机进行解析。

Claims (11)

1.本发明的特征在于智能燃气表MCU是由NB-IOT调制解调器的内部的一个ARM核及程序存储器、存储器数组I/O接口等资源构成。
2.本发明的特征在于，此智能燃气表的全部功能由NB调制解调器内的ARM上的资源来实现。
3.根据前述特征所述，本发明的特征在于，智能燃气表数据传输功能由NB-IOT调制解调器的数据接口、控制接口与NB调制解调器内ARM定义的智能燃气表ARM的一个数据接口一个控制接口，以及通讯协议和程序构成，实现通讯控制与数据传输功能；电压电量检测功能由定义的智能燃气表ARM核中的一个数据接口与电压检测器及电压过低处理程序构成，实现电压检测功能及电池电压掉电处理功能；阀门控制功能，由定义的智能燃气表ARM核中的一个接口定义为阀门驱动接口与阀门驱动器相连，由阀门控制程序实现阀门的开关功能。
4.本发明的特征在于，智能燃气表IC卡取读功能模块由定义的智能燃气表ARM存储器中存储在程序存储器的IC卡读写程序和定义的IC卡I/O接口完成对IC卡的读写来实现预付费功能，该功能也可由上述I/O接口相联的NFC芯片及程序实现。
5.本发明的特征在于定义的智能燃气表ARM核中的一个I2C接口定义成显示接口与液晶驱动器，液晶显示器相联，在显示驱动程序驱动下用于显示物联网智能燃气表的用气量，预付费金额,阶梯气价,阀门状态，电池容量，NB网络信号强度信息等显示功能。
6.本发明的特征在于定义的智能燃气表ARM核中一个I/O接口定义为燃气漏气报警器接口与燃气漏气报警器相联，由燃气漏气报警处理程序一起实现漏气报警功能。
7.本发明的特征在于，定义的智能燃气表ARM核存储器存储的窃气处理程序根据燃气脉冲计数接口的状态进行窃气判断实现防窃功能。
8.本发明的特征还在于，定义的智能燃气表ARM核中的程序存储器的数据处理传输程序，将累计用气数据，用气流量数据，计量计费数据，阶梯用量阶梯价格数据，预费金额，阀门状态数据，电池容量数据，NB信号强度数据，漏气报警器状态，窃气状态等数据通过数据安全加密解密功能模块对数据进行加密，打包，通过 NB调制解调器，按照NB协议进行无线信号调制由功放天线，将数据线无线网络传输到后台，实现表具数据传输功能。
9.本发明的特征还在于数据安全加密解密功能模块的加密机制有别于NB调制解调器的数据空口加密安全机制,而是按燃气通讯协议进行加密，该项功能由数据加密算法实现，存储在定义的智能燃气表ARM中。
10.本发明的特征还在于定义的智能燃气表ARM核中的存储器存储的数据接收处理程序将NB调制解调器从天线接收的无线网络发来的无线信号进行解调的数据进行解密，解析，实现双向数据通讯及对定义的智能燃气表ARM进行控制，完成智能燃气表的各项功能。
11.模块上电后由NB-LOT芯片上的ARM芯片完成NB调制解调器的初始化，处于NB调制解调器的就绪状态，并且模块上电后定义智能燃气表ARM首先执行初始化程序，分别包括数据存储功能模块初始化、电池电量检测功能模块初始化、燃气表机械计数器功能模块初始化、IC卡读取功能模块初始化、燃气使用安全监测功能模块初始化，燃气报警器接信息处理功能模块初始化，液晶模块初始化,初始化程序执行完毕后执行系统时钟配置程序，经过系统时钟配置完成内部需要时钟功能、端口初始化完成各个功能所需端口配置、看门狗定时器定时设置、外部存储器初始化及读取参数；之后单片机进入开启全局中断低功耗状态等待中断唤醒，程序进入到事件数组判断循环中，当发生中断时程序跳出循环进入中断判断程序，做出判断后程序会根据中断的具体内容分别对数据上传、欠压报警、窃器报警、漏气报警、开关阀门等功能的事件标志位进行更改，更改之后跳出中断根据标志位进行相关的事件操作；单片机被中断唤醒时首先判断中断类型，如果是外部中断再通过判断具体哪个端口引发中断，来设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能；通过外部中断触发的功能主要有电池电量检测功能、燃气表机械计数器功能，脉冲计数功能、IC卡读取功能、燃气使用安全监测功能、窃气报警功能；当程序发生定时器中断时，会根据一定时间间隔来执行相关功能，比较中断时刻的时间是否与预设功能时间相同，如果相同则设置相关功能的事件标志位，跳出中断后主函数会根据标志位完成对应事件功能；当时间达到预设的上传时间时，NB-IOT调制解调器上电，并执行初始化程序，智能燃气表ARM核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台；如果程序检测出欠压、窃气、漏气等异常现象时，程序会进行报警并通过NB-IOT调制解调模块上传一条数据提醒使用者；同时在定时器中断中每隔一段时间系统会进行一次系统内部状态诊断，判断各个功能单元是否正常启动，各个拓展口是否被应用；如果有某些功能单元出现异常，智能燃气表ARM核会接着通讯协议通过NB调制解调器上传一条数据给云端后台通知相关人员进行维修操作；如果各功能单元正常启动则模块进入休眠状态并开启定时器，当模块侦听到NB基站发送来的消息或者程序设定的唤醒时间到达时模块会被唤醒，当模组被唤醒后，各个工作单元开始工作，其中NB-IOT解调模块对信号进行解调后通过串口线将数据传送给定义的智能燃气表ARM进行阀门控制，定义的智能燃气表ARM提取需要计算的数据传输给NB调制解调器的数据接口，将数据通过数据线发送给NB调制解调器，NB调制解调器将输出的信号经过滤波器双工开关天线等设备发送给上位机进行解析。
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