CN206946700U - 一种基于NB‑IoT的电表数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于NB‑IoT的电表数据采集装置，包括电表通信控制器、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；电表通信控制器分别与电表和主控制器相连，将获取的电表数据发送至主控制器；主控制器与NB模组相连，将电表数据按照NB模组的通信要求压缩与打包后发送至NB模组；NB模组对接物联网云平台，物联网云平台分别与数据服务器与用户终端相连。本装置实现了在极低功耗与极弱的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；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。

Description

一种基于NB-IoT的电表数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及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。

发明内容

本实用新型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。

本实用新型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器、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；

所述电表通信控制器与电表通过屏蔽线连接，按照RS485协议进行双向通信；电表通信控制器通过采集器实现电表数据的读取与电表状态的控制；

所述主控制器包括数据采集模块、数据解析模块与数据上传模块；主控制器与电表通信控制器通过屏蔽线连接，通过数据采集模块按照异步串行通信协议进行双向数据传输；主控制器与NB模组相连，通过数据上传模块按照异步串行通信协议进行电表数据的上传；主控制器通过电表通信控制器向电表下发读取电量数据的指令、监听电表的返回数据，将接收的电表数据压缩后按照NB模组的协议要求发送至NB模组，接收NB模组的用户指令，通过数据解析模块解析用户指令，根据用户指令控制电表进入不同的工作状态；

所述NB模组与物联网云平台对接，收到主控制器的数据包后被激活，将接收到的数据包发送到物联网云平台，并接收物联网云平台下发的用户指令；

所述物联网云平台分别与数据服务器、用户终端对接，数据服务器与用户终端对接；物联网云平台接收NB模组发送的数据包，对有效数据进行存储，根据用户要求将有效数据推送至用户的数据服务器和/或用户终端，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，所述主控制器为TI公司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；主控制器的外围电路由时钟电路、复位电路、电源转化电路组成；系统时钟包括高频时钟与RTC时钟，高频时钟由16MHz产生，RTC时钟由32.768KHz时钟产生；电源转化电路将5V的输入电源降压到3.8V，为主控制器与NB模组提供工作电源。

进一步地，所述NB模组为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；NB模组实现数据通信的信号灵敏度低至-135dBm；NB模组具备两个UART接口和一个ADC接口，UART接口用于NB模组与主控制器间的双向通信与NB模组的固件升级，ADC接口用于系统电量监测；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。

进一步地，所述用户终端包括管理端与用户端，管理端能够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，并能够查找指定电表，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；用户端可视化图形界面显示用户电量信息与消费情况。

本实用新型的有益效果是：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是本实用新型的系统结构框图；

图2是本实用新型的NB-IoT模组的电路图；

图3是本实用新型的主控制器的电路图；

图4是本实用新型的电源模块的电路图；

图5是本实用新型的电表通信控制器的电路图；

图中，电表通信控制器1、主控制器2、电源模块3、NB模组4、电表5、物联网云平台6、数据服务器7与、用户终端8。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种基于NB-IoT的电表数据采集系统，包括电表通信控制器1、主控制器2、电源模块3、NB模组4、物联网云平台6、数据服务器7与用户终端8；电表通信控制器1与电表5通过屏蔽线连接，按照RS485协议进行双向通信；电表通信控制器1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5的拉闸、合闸、保电；主控制器2包括数据采集模块、数据解析模块与数据上传模块。主控制器2与电表通信控制器1通过屏蔽线连接，按照异步串行通信协议进行双向数据传输；主控制器2与NB模组4相连，通过数据上传模块按照异步串行通信协议进行电表数据的上传；主控制器2通过电表通信控制器1向电表5下发读取电量数据的指令、监听电表5的返回数据，将接收的电表数据压缩后按照NB模组的协议要求发送至NB模组4，接收NB模组4的用户指令，根据用户指令控制电表5进入不同的工作状态；NB模组4与物联网云平台6对接，收到主控制器2的数据包后被激活，将接收到的数据包发送到物联网云平台6，并接收物联网云平台6下发的用户指令；物联网云平台6分别与数据服务器7、用户终端8对接，数据服务器7与用户终端8对接；物联网云平台6接收NB模组4发送的数据包，对有效数据进行存储，根据用户要求将有效数据推送至用户的数据服务器7和/或用户终端8，接收用户终端8发送的用户指令，将用户指令下发至NB模组4；系统在用户终端实现管理操作。用户终端8包括管理端与用户端，管理端能够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，并能够查找指定电表，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；用户端可视化图形界面显示用户电量信息与消费情况。

如图2所示，本实用新型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。

如图3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。

如图4所示，电源模块将5V的输入电源降压到3.8V为模组提供工作电源；电源模块的电压转换是通过集成可调电压输出LDO稳压器MIC2930实现的。5V电源从电源接口BUTTON引入后，经过退耦电容C31退耦，然后输入至电源转换芯片U8的IN引脚。同时串接电阻R29接到NPN三极管Q4的集电极。电源芯片使能引脚EN接至电阻R29的2号引脚。电源芯片的电压调节引脚ADJ从输出引脚OUT通过反馈电阻R30与R36获取分压。电源输出引脚再通过退耦电容C33退耦后串接限流电阻R99为模组提供稳定的电源供应。

如图5所示，电表通信控制器通过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；电表通信控制器分别与电表、主控制器相连，通过转化芯片U10将差分信号转换为TTL电平。输入端接入阻抗调节电阻R40对输入阻抗进行调节。

本实用新型的具体实施过程如下：搭建并安装上述系统。先完成云平台上的注册与绑定，在用户终端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。以图形与统计表格的方式显示各个电表的运行状态。

Claims (4)

1.一种基于NB-IoT的电表数据采集系统，其特征在于：该系统包括电表通信控制器(1)、主控制器(2)、电源模块(3)、NB模组(4)、物联网云平台(6)、数据服务器(7)与用户终端(8)；

所述电表通信控制器(1)与电表(5)通过屏蔽线连接，按照RS485协议进行双向通信；电表通信控制器(1)通过采集器实现电表数据的读取与电表状态的控制；

所述主控制器(2)包括数据采集模块、数据解析模块与数据上传模块；主控制器(2)与电表通信控制器(1)通过屏蔽线连接，通过数据采集模块按照异步串行通信协议进行双向数据传输；主控制器(2)与NB模组(4)相连，通过数据上传模块按照异步串行通信协议进行电表数据的上传；主控制器(2)通过电表通信控制器(1)向电表(5)下发读取电量数据的指令、监听电表(5)的返回数据，将接收的电表数据压缩后按照NB模组的协议要求发送至NB模组(4)，接收NB模组(4)的用户指令，通过数据解析模块解析用户指令，根据用户指令控制电表(5)进入不同的工作状态；

所述NB模组(4)与物联网云平台(6)对接，收到主控制器(2)的数据包后被激活，将接收到的数据包发送到物联网云平台(6)，并接收物联网云平台(6)下发的用户指令；

所述物联网云平台(6)分别与数据服务器(7)、用户终端(8)对接，数据服务器(7)与用户终端(8)对接；物联网云平台(6)接收NB模组(4)发送的数据包，对有效数据进行存储，根据用户要求将有效数据推送至用户的数据服务器(7)和/或用户终端(8)，接收用户终端(8)发送的用户指令，将用户指令下发至NB模组(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的电表数据采集系统，其特征在于：所述主控制器(2)为TI公司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(2)的外围电路由时钟电路、复位电路、电源转化电路组成；系统时钟包括高频时钟与RTC时钟，高频时钟由16MHz产生，RTC时钟由32.768KHz时钟产生；电源转化电路将5V的输入电源降压到3.8V，为主控制器(2)与NB模组(4)提供工作电源。

3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的电表数据采集系统，其特征在于：所述NB模组(4)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；NB模组(4)实现数据通信的信号灵敏度低至-135dBm；NB模组(4)具备两个UART接口和一个ADC接口，UART接口用于NB模组(4)与主控制器(2)间的双向通信与NB模组(4)的固件升级，ADC接口用于系统电量监测；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。

4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的电表数据采集系统，其特征在于：所述用户终端(8)包括管理端与用户端，管理端能够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(5)数量，并能够查找指定电表(5)，设置数据上传频率或者对指定电表(5)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；用户端可视化图形界面显示用户电量信息与消费情况。