CN110324880B - 基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于NB‑IoT窄带物联网的用电信息采集系统及其工作方法，属于电力技术领域，特别涉及到一种用电信息采集系统及其工作方法，包括主站系统、远程无线网络及终端采集层，本发明通过设计功耗和成本上比3G/4G产品及电力无线专网产品更优；在稳定性上它比GPRS更好，从覆盖区域和海量接入又比470MHz微功率无线技术更强大，进一步优化电力行业数据传输的通信质量，提升电力及营销业务管理效率，降低日常运维成本做好技术储备。
Description
技术领域
本发明属于电力技术领域，特别涉及到一种用电信息采集系统及其工作方法。
背景技术
随着物联网的兴起，各类新兴无线技术也相继在国内面世，其中影响最大最明显的当属NB-IoT(窄带物联网)。NB-IoT作为新兴物联网技术，具有低功耗、低成本、广覆盖、海量节点等优势，为促进NB-IoT行业的发展，2017年国家先后出台了多项重大的物联网政策。其中，工信部于2017年6月发布《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》。到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。
近几年电力事业迅速发展，智能电网不断扩大和创新，电力用户用电信息采集系统已作为加快营销计量、抄表、收费标准化建设的重要技术支撑手段。采集系统的建设，是为了实现计量装置在线监测和用户负荷、电量、电压等重要信息的实时采集，及时、完整、准确地为“SG186工程”营销业务应用提供电力用户实时用电信息数据，为建立适应市场变化、快速反映客户需求的营销机制，从客户用电信息的源头提供数据支持，为“分时电价、阶梯电价、全面预付费”的营销业务策略的实施提供技术基础。
而当前，用户对供电质量和可靠性的要求也越来越高，其中电力营销业务系统使用各类智能终端进行在线实时数据交互的需求日益迫切。尤其对远端通信，即电力终端与电力主站之间的通信要求越来越高，主要包括通信带宽、可靠性、安全性、实时性等要求都在不断提高。
基于新型物联网技术NB-IoT设计的无线通信设备，可以有效补充已有通信方式的不足，在功耗和成本上比3G/4G产品及电力无线专网产品更优；在稳定性上它比GPRS更好，从覆盖区域和海量接入又比470MHz微功率无线技术更强大，甚至2G/3G/4G通信都难以达到，因此开展面向电力终端的NB-IoT远程通信模块技术研究势在必行，同时也为进一步优化电力行业数据传输的通信质量，提升电力及营销业务管理效率，降低日常运维成本做好技术储备。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这些问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供远端通信可靠性、安全性和实时性更高的电表采集系统，符合电力营销业务和用户对供电质量和可靠性日益提高的要求。
基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统的工作方法，采用一种基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统，包括：主站系统、远程无线网络及终端采集层，
所述主站系统包括主站服务器及隔离网关，主站系统通过远程无线网络与终端采集层数据连接；
其中远程无线网络包括运营商基站构建的核心网络；
其中终端采集层包括NB-IoT基站、NB-IoT通信模块及用电表；
其中NB-IoT通信模块包括有处理器，且NB-IoT通信模块与电表连接，NB-IoT通信模块与NB-IoT基站数据连接。
包括以下步骤：以下步骤顺次进行
步骤一、终端采集层的NB-IoT通信模块上电复位，NB-IoT通信模块进行初始化，对NB-IoT通信模块携带的SIM卡初始化过程，读取SIM卡信息；
步骤二、NB-IoT通信模块进行PLMN公共陆地移动通信网络选择，即根据SIM信息选择运营商网络；
步骤三、经过步骤二运营商选择后，NB-IoT通信模块进行扫频操作，NB-IoT通信模块根据预先设置的波段的先后顺序进行扫频，频率搜索如下：
SCS快搜/CCS慢搜：
SCS快搜，搜索从先验频点开始SCS快搜搜索；
先验频点即为上次NB-IoT通信模块成功通信的频点，频点数据保存在NB-IoT通信模块的NV非易失性存储器的空间中；
如果没有先验频点，或者在先验频点未搜到远程无线网络的基站，则SCS快搜搜索会被拒绝，然后开启CCS慢搜进行搜索；
步骤四、NB-IoT通信模块频率搜索最终可以找到选定频点可用的小区信号，这里只是NB-IoT通信模块的UE监听器被动监听NB-IoT基站的广播信号；
步骤五、NB-IoT通信模块消息解读，即读取步骤四中获得的小区系统消息，会根据小区的信号强度将小区按照先后顺序给列出来，然后根据S准则即小区选择准则来判断小区是否可用：
步骤六、NB-IoT通信模块搜索到可用的小区之后，就会对可用小区发起网络附着请求，并触发建立RRC链路即无线资源控制请求，如果现场网络环境不好的情况下会发现：发起网络attach req附着请求后，远程无线网络一直没有回复，NB-IoT通信模块会重新发起建立链接请求，导致入网时间长；
步骤七、NB-IoT通信模块随机接入远程无线网络下的运营商基站，随机接入失败后NB-IoT通信模块会重新再次发起接入；
步骤八、步骤七中NB-IoT通信模块随机接入成功后，收到远程无线网络下的运营商基站的RRC建链即建立无线资源控制链路回复命令，RRC无线资源控制建立成功；
步骤九、RRC无线资源控制建立成功后，收到基站附着请求接受回复命令，附着过程完成，主站系统与终端采集层连接成功；
步骤十、上述步骤完成后，终端采集层与主站系统连接通信，终端采集层的NB-IoT通信模块采集用电表数据上传NB-IoT基站，NB-IoT基站通过远程无线网络与主站系统通信，基于NB-IoT(窄带物联网)通信的用电信息采集系统开始工作。
步骤十所述的终端采集层与主站系统连接通信的通信方式有两种，其中通信方式一为主动连接通信方式为：NB-IoT通信模块待到了预设约定的时间就开始向主站系统上传指定的数据，完成数据上传后接到主站系统下发的响应后说明终端采集层主动上报成功，之后等待下一次执行主动上报；否则，如未接到响应，说明本次数据上传失败，要重新进行数据上传直到终端采集层接收到主站系统的响应；通信方式二为被动连接方式，NB-IoT通信模块一直在等待主站系统下发的召测指令，如接到主站系统的召测指令，NB-IoT通信模块开始上传本次指定的数据，数据发出后如接到主站系统确认响应说明本次数据上报成功，之后再次进入常态等待模式，如果未收到确认响应，则要重复发送本次数据，直到终端收到本次主站系统的确认响应为止。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：通过上述设计功耗和成本上比3G/4G产品及电力无线专网产品更优；在稳定性上它比GPRS更好，从覆盖区域和海量接入又比470MHz微功率无线技术更强大，进一步优化电力行业数据传输的通信质量，提升电力及营销业务管理效率，降低日常运维成本做好技术储备。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明：
图1为本发明的工作流程图。
图中：1-主站系统、2-远程无线网络、3-终端采集层。
具体实施方式
基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统的工作方法，采用一种基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统，包括：主站系统1、远程无线网络2及终端采集层3，
所述主站系统1包括主站服务器及隔离网关，主站系统1通过远程无线网络2与终端采集层3数据连接；
其中远程无线网络2包括运营商基站构建的核心网络；
其中终端采集层3包括NB-IoT基站、NB-IoT通信模块及用电表；
其中NB-IoT通信模块包括有处理器，且NB-IoT通信模块与电表连接，NB-IoT通信模块与NB-IoT基站数据连接。
包括以下步骤：以下步骤顺次进行
步骤一、终端采集层3的NB-IoT通信模块上电复位，NB-IoT通信模块进行初始化，对NB-IoT通信模块携带的SIM卡初始化过程，读取SIM卡信息；
步骤二、NB-IoT通信模块进行PLMN公共陆地移动通信网络选择，即根据SIM信息选择运营商网络；
步骤三、经过步骤二运营商选择后，NB-IoT通信模块进行扫频操作，NB-IoT通信模块根据预先设置的波段的先后顺序进行扫频，频率搜索如下：
SCS快搜/CCS慢搜：
SCS快搜，搜索从先验频点开始SCS快搜搜索；
先验频点即为上次NB-IoT通信模块成功通信的频点，频点数据保存在NB-IoT通信模块的NV非易失性存储器的空间中；
如果没有先验频点，或者在先验频点未搜到远程无线网络2的基站，则SCS快搜搜索会被拒绝，然后开启CCS慢搜进行搜索；
步骤四、NB-IoT通信模块频率搜索最终可以找到选定频点可用的小区信号，这里只是NB-IoT通信模块的UE监听器被动监听NB-IoT基站的广播信号；
步骤五、NB-IoT通信模块消息解读，即读取步骤四中获得的小区系统消息，会根据小区的信号强度将小区按照先后顺序给列出来，然后根据S准则即小区选择准则来判断小区是否可用：
步骤六、NB-IoT通信模块搜索到可用的小区之后，就会对可用小区发起网络附着请求，并触发建立RRC链路即无线资源控制请求，如果现场网络环境不好的情况下会发现：发起网络attach req附着请求后，远程无线网络2一直没有回复，NB-IoT通信模块会重新发起建立链接请求，导致入网时间长；
步骤七、NB-IoT通信模块随机接入远程无线网络2下的运营商基站，随机接入失败后NB-IoT通信模块会重新再次发起接入；
步骤八、步骤七中NB-IoT通信模块随机接入成功后，收到远程无线网络(2)下的运营商基站的RRC建链即建立无线资源控制链路回复命令，RRC无线资源控制建立成功；
步骤九、RRC无线资源控制建立成功后，收到基站附着请求接受回复命令，附着过程完成，主站系统1与终端采集层3连接成功；
步骤十、上述步骤完成后，终端采集层3与主站系统1连接通信，终端采集层3的NB-IoT通信模块采集用电表数据上传NB-IoT基站，NB-IoT基站通过远程无线网络2与主站系统1通信，基于NB-IoT窄带物联网通信的用电信息采集系统开始工作。
步骤十所述的终端采集层3与主站系统1连接通信的通信方式有两种，其中通信方式一为主动连接通信方式为：NB-IoT通信模块待到了预设约定的时间就开始向主站系统1上传指定的数据，完成数据上传后接到主站系统1下发的响应后说明终端采集层3主动上报成功，之后等待下一次执行主动上报；否则，如未接到响应，说明本次数据上传失败，要重新进行数据上传直到终端采集层3接收到主站系统1的响应；通信方式二为被动连接方式，NB-IoT通信模块一直在等待主站系统1下发的召测指令，如接到主站系统1的召测指令，NB-IoT通信模块开始上传本次指定的数据，数据发出后如接到主站系统1确认响应说明本次数据上报成功，之后再次进入常态等待模式，如果未收到确认响应，则要重复发送本次数据，直到终端收到本次主站系统1的确认响应为止。
终端采集层3主动上报属于深度降低功耗模式，保证终端采集层3在约定的时间内用最低功耗满足数据上报主站系统1的要求。
终端采集层3被动接收上报主要由主站系统1来控制终端采集层3的工作状态，此种模式下系统的主动权交由电力公司掌握的主站系统1，有利于地区全局控制。
NB-IoT架构支持用户不经过运营商的NB-IoT平台，直接和自己的TCPServer连接，因此NB-IoT通信模块的终端采集层3通过运营商远程无线网络2连接主站系统1是没有问题的。
针对资产管理的问题，给主站系统1下发采集点档案时候，NB-IoT通信模块只下发表档案，没有采集器档案，然后主站根据登入端口号判断是不是NB-IoT通信模块，同时NB-IoT通信模块截取表地址后4字节来作为登入地址，主站系统1根据登入地址和本地表档案建立对应关系，以便进行后续的抄表业务。这里需要主站系统1的软件进行升级改造。
全面采集大型专变用户、中小型专变用户、三相一般工商业用户、单相一般工商业用户、居民用户和公用配变考核计量点等6类，以及分布式能源接入、充放电与储能接入计量点的电能信息等数据，构建完善的电能信息数据平台，是终端采集层3的重要基础和用户用电信息的重要来源。
用电表、NB-IoT模块、NB-IoT基站及主站系统1之间有几种针对不同情形下的数据通信流程。主站发送数据通过运营商网络传送到NB基站，NB基站转发数据到NB-IoT模块，NB-IoT模块接收数据后再通过应用接口发送给处理器，处理器接收解析并判断数据校验正确后，按照数据标识对用电表进行读写操作，然后再将数据原路发送给主站系统1。
Claims (2)
1.基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统的工作方法，采用一种基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统，所述基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统包括：主站系统(1)、远程无线网络(2)及终端采集层(3)；
所述主站系统(1)包括主站服务器及隔离网关，主站系统(1)通过远程无线网络(2)与终端采集层(3)数据连接；其中远程无线网络(2)包括运营商基站构建的核心网络；其中终端采集层(3)包括NB-IoT基站、NB-IoT通信模块及用电表；其中NB-IoT通信模块包括有处理器，且NB-IoT通信模块与电表连接，NB-IoT通信模块与NB-IoT基站数据连接，其特征在于，包括以下步骤：以下步骤顺次进行
步骤一、终端采集层(3)的NB-IoT通信模块上电复位，NB-IoT通信模块进行初始化，对NB-IoT通信模块携带的SIM卡初始化过程，读取SIM卡信息；
步骤二、NB-IoT通信模块进行PLMN公共陆地移动通信网络选择，即根据SIM信息选择运营商网络；
步骤三、经过步骤二运营商选择后，NB-IoT通信模块进行扫频操作，NB-IoT通信模块根据预先设置的波段的先后顺序进行扫频，频率搜索如下：
SCS快搜/CCS慢搜：
SCS快搜，搜索从先验频点开始SCS快搜搜索；
先验频点即为上次NB-IoT通信模块成功通信的频点，频点数据保存在NB-IoT通信模块的NV非易失性存储器的空间中；
如果没有先验频点，或者在先验频点未搜到远程无线网络(2)的基站，则SCS快搜搜索会被拒绝，然后开启CCS慢搜进行搜索；
步骤四、NB-IoT通信模块频率搜索最终可以找到选定频点可用的小区信号，这里只是NB-IoT通信模块的UE监听器被动监听NB-IoT基站的广播信号；
步骤五、NB-IoT通信模块消息解读，即读取步骤四中获得的小区系统消息，会根据小区的信号强度将小区按照先后顺序给列出来，然后根据S准则即小区选择准则来判断小区是否可用：
步骤六、NB-IoT通信模块搜索到可用的小区之后，就会对可用小区发起网络附着请求，并触发建立RRC链路即无线资源控制请求，如果现场网络环境不好的情况下会发现：发起网络attach req附着请求后，远程无线网络(2)一直没有回复，NB-IoT通信模块会重新发起建立链接请求，导致入网时间长；
步骤七、NB-IoT通信模块随机接入远程无线网络(2)下的运营商基站，随机接入失败后NB-IoT通信模块会重新再次发起接入；
步骤八、步骤七中NB-IoT通信模块随机接入成功后，收到远程无线网络(2)下的运营商基站的RRC建链即建立无线资源控制链路回复命令，RRC无线资源控制建立成功；
步骤九、RRC无线资源控制建立成功后，收到基站附着请求接受回复命令，附着过程完成，主站系统(1)与终端采集层(3)连接成功；
步骤十、上述步骤完成后，终端采集层(3)与主站系统(1)连接通信，终端采集层(3)的NB-IoT通信模块采集用电表数据上传NB-IoT基站，NB-IoT基站通过远程无线网络(2)与主站系统(1)通信，基于NB-IoT窄带物联网通信的用电信息采集系统开始工作。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集系统的工作方法，其特征是：步骤十所述的终端采集层(3)与主站系统(1)连接通信的通信方式有两种，其中通信方式一为主动连接通信方式为：NB-IoT通信模块待到了预设约定的时间就开始向主站系统(1)上传指定的数据，完成数据上传后接到主站系统(1)下发的响应后说明终端采集层(3)主动上报成功，之后等待下一次执行主动上报；否则，如未接到响应，说明本次数据上传失败，要重新进行数据上传直到终端采集层(3)接收到主站系统(1)的响应；通信方式二为被动连接方式，NB-IoT通信模块一直在等待主站系统(1)下发的召测指令，如接到主站系统(1)的召测指令，NB-IoT通信模块开始上传本次指定的数据，数据发出后如接到主站系统(1)确认响应说明本次数据上报成功，之后再次进入常态等待模式，如果未收到确认响应，则要重复发送本次数据，直到终端收到本次主站系统(1)的确认响应为止。
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