CN207216362U - 一种基于NB‑IoT通信的电源管理模块和物联网燃气表控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于NB‑IoT通信的电源管理模块和物联网燃气表控制器，包括NB‑IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、电源管理模块、数据存储电路、液晶显示模块、蜂鸣器电路、按键电路和控制单元，其中控制单元分别与NB‑IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、电源管理模块、数据存储电路、液晶显示模块、蜂鸣器电路、按键电路电连接，所述NB‑IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、蜂鸣器电路、按键电路分别与电源管理模块电连接。本实用新型具有功耗低、成本低、传输距离远的特点。

Description

一种基于NB-IoT通信的电源管理模块和物联网燃气表控制器

技术领域

本实用新型涉及天然气计量技术领域，具体涉及一种基于NB-IoT通信的电源管理模块和物联网燃气表控制器。

背景技术

伴随着城镇化进程的推进和城市燃气管道的大规模推广和应用，针对国内居民阶梯气价的政策的逐步实施和燃气公司对燃气表监控和燃气用量大数据分析的需要，促使燃气公司有动力通过智能表的改造来实现燃气表的远程调价、远程监控等需求。传统的抄表方案需要人工上门抄表，一定程度上增加了燃气公司的人力和附加成本。基于短距离无线通信的燃气表物联网解决方案由于增加增加额外的集中抄表设备，给燃气公司的管理和维护带来了一定的不便。GSM/CDMA/GPRS技术是上个世纪90年代面向个人通信开发的技术，GSM/CDMA/GPRS技术在物联网燃气表领域得到了一定程度应用，但当前技术方案下的GSM/CDMA/GPRS物联网燃气表存在成本高、资费贵和在网功耗较大等不足。

NB-IoT(窄带蜂窝物联网)聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。相对于WiFi、蓝牙、GSM等无线通讯协议NB-IoT技术具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗小、架构优等特点这些特点，使得其适合在传感、计量、检测等领域大规模应用。

发明内容

针对现有物联网燃气表控制器存在的功耗大、资费高、远程控制不稳定、实时性差等问题，本发明采用如下的技术解决方案：

一种基于NB-IoT通信的电源管理模块，包括内置电源电路、外置电源电路、DC-DC升降压电路、外置电源检测电路和控制单元电源系统VCC、NB-IoT通信模块、控制单元，所述内置电源电路和外置电源电路分别与控制单元电源系统VCC相连接，所述DC-DC升降压电路与NB-IoT通信模块相连接，所述外置电源检测电路与控制单元相连接。

进一步地，所述外置电源电路，包括：外置电源接口、备用电容和LDO降压电路，外置电源依次通过外置电源输入接口J1、二极管D1、二极管D2与LDO降压电路相连接，二极管D1和二极管D2之间引出一隔离输出端6V-VCC，所述隔离输出端6V-VCC通过备用电容后接地，所述备用电容包括电容E1和电容E2，所述电容E1和电容E2串联连接后接地。

进一步地，所述内置电源电路，包括：电阻R1、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R2和接口J2，内置电源通过二极管D3与控制单元电源系统VCC相连接，内置电源分别通过二极管D4、二极管D5与隔离输出端6V-VCC相连接，电阻R1与控制单元相连接，电阻R1、二极管D3、二极管D4、二极管D5并联连接并汇聚于点A，所述点A处引出两条支路，一条支路通过接口J2后接地，另一条支路通过电阻R2后接地。

进一步地，所述DC-DC升降压电路包括DC-DC集成芯片LT3125，DC-DC集成芯片LT3125的使能端6与控制单元相连接，DC-DC集成芯片LT3125的5端与功率电感L1的一端相连接，功率电感L1的另一端与DC-DC集成芯片LT3125的8端相连接，DC-DC集成芯片LT3125的3端通过电阻R3接地，DC-DC集成芯片LT3125的1端和9端接地，DC-DC集成芯片LT3125的4端处分出两条支路，其中一条支路与隔离输出端6V-VCC相连接，另一条支路通过电容C2接地，DC-DC集成芯片LT3125的2端处引出一点B，所述点B通过电阻R4接地，点B处还引出一点C，点C依次通过电阻R5、电阻R7后再分别通过电容E4、电容E5、电容E6接地，电容C3与电容E6并联连接。

进一步地，所述外置电源检测电路包括电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10和电容C4，隔离输出端6V-VCC通过电阻R6与控制单元的AD端相连接，隔离输出端6V-VCC与电阻R6之间引出一点D，电阻R6与控制单元的AD端之间引出一点E，点D依次通过电阻R8、电容C4后接地，点E通过电阻R10后接地，电阻R8与电容C4之间引出一点F，点F通过电阻R9接地，点F同时与控制单元的掉电检测端CHECK6V相连接。

进一步地，包括NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、电源管理模块、数据存储电路、液晶显示模块、蜂鸣器电路、按键电路和控制单元，其中控制单元分别与NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、电源管理模块、数据存储电路、液晶显示模块、蜂鸣器电路、按键电路电连接，所述NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、蜂鸣器电路、按键电路分别与电源管理模块电连接。

进一步地，所述控制单元为单片机。

进一步地，NB-IoT无线通信模块采用贴片式物联网卡，NB-IoT无线通信模块通过UART总线与控制单元的通讯端相连接。

进一步地，NB-IoT无线通信模块选择全向式弹簧天线作为信号收发天线。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本实用新型采用NB-IoT公共网络实现燃气表远程数据上报、阶梯气价、实时调价、实时监控等燃气公司迫切需要的功能，为燃气公司的云服务和大数据分析提供了有利的支撑，很大程度上方便了燃气公司的运营管理；

2、本实用新型采用微功耗设计，微处理器采用进口低功耗高速单片机，休眠功耗低至2uA；NB-IoT无线模块的休眠功耗低至8uA；系统采用NB-IoT定时上传数据的方式，同时依靠先进的软件控制算法，很大程度上降低了系统的功耗，具有功耗低、成本低、传输距离远的特点。

附图说明

图1是本实用新型的整体模块图；

图2是外置电源电路图；

图3是内置电源电路图；

图4是DC-DC升降压电路图；

图5是外置电源检测电路图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了电源管理模块，所述电源管理模块包括内置电源电路、外置电源电路、DC-DC降压电路、外置电源检测电路和控制单元电源系统VCC，所述内置电源电路和外置电源电路分别与控制单元电源系统VCC相连接，所述DC-DC升降压电路与NB-IoT通信模块相连接，所述外置电源检测电路与控制单元相连接。本电源系统采用的双电源设计能够保证系统长期稳定的运行，电源状态的实时检测功能能够及时提醒用户设备的电源状态，电源状态参数能够通过NB-IoT模块上传至远程服务器。

电源管理模块中的外置电源电路的具体电路，如图2，所述电源管理模块包括内置电源电路、外置电源电路、DC-DC降压电路、外置电源检测电路和控制单元电源系统VCC，所述内置电源电路和外置电源电路分别与控制单元电源系统VCC相连接，所述DC-DC升降压电路与NB-IoT通信模块相连接，所述外置电源检测电路与控制单元相连接。

电源管理模块中的内置电源电路的具体电路，如图3，包括：电阻R1、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R2和接口J2，内置电源通过二极管D3与控制单元电源系统VCC相连接，内置电源分别通过二极管D4、二极管D5与隔离输出端6V-VCC相连接，电阻R1与控制单元相连接，电阻R1、二极管D3、二极管D4、二极管D5并联连接并汇聚于点A，所述点A处引出两条支路，一条支路通过接口J2后接地，另一条支路通过电阻R2后接地。内置电源通过隔离二极管D3与系统主电源VCC相连；通过双隔离二极管D4、D5与外置电源的隔离输出端6V-VCC相连，保证外置电源掉电时，DC-DC省降压电路能够正常工作，采用双二极管能降低单个二极管的电流，从而降低二极管的压降，提升电源驱动能力。内置电源通过限流电阻R1与微控制器的内置电源检测端口相连，系统能实时检测到内置电源掉电的状态，触发掉电报警上传；内置电源采用高能锂电池供电的方案，内置电源电路还包括放电电阻R2串接于内置电源输入与电源地之间，该电阻的功能是防止锂电池钝化现象。

电源管理模块中的DC-DC升降压电路的具体电路，如图4，所述DC-DC升降压电路包括DC-DC集成芯片LT3125，DC-DC集成芯片LT3125的使能端6与控制单元相连接，DC-DC集成芯片LT3125的5端与功率电感L1的一端相连接，功率电感L1的另一端与DC-DC集成芯片LT3125的8端相连接，DC-DC集成芯片LT3125的3端通过电阻R3接地，DC-DC集成芯片LT3125的1端和9端接地，DC-DC集成芯片LT3125的4端处分出两条支路，其中一条支路与隔离输出端6V-VCC相连接，另一条支路通过电容C2接地，DC-DC集成芯片LT3125的2端处引出一点B，所述点B通过电阻R4接地，点B处还引出一点C，点C依次通过电阻R5、电阻R7后再分别通过电容E4、电容E5、电容E6接地，电容C3与电容E6并联连接。

电源管理模块中的外置电源检测电路的具体电路，如图5，所述外置电源检测电路包括电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10和电容C4，隔离输出端6V-VCC通过电阻R6与控制单元的AD端相连接，隔离输出端6V-VCC与电阻R6之间引出一点D，电阻R6与控制单元的AD端之间引出一点E，点D依次通过电阻R8、电容C4后接地，点E通过电阻R10后接地，电阻R8与电容C4之间引出一点F，点F通过电阻R9接地，点F同时与控制单元的掉电检测端CHECK6V相连接，防止因为电源电压抖动造成系统电源状态误判。

实施例2

本实施例提供了一种基于NB-IoT通信技术的物联网燃气表控制器，如图1所示，包括NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、电源管理模块、数据存储电路、液晶显示模块、蜂鸣器电路、按键电路和控制单元，其中控制单元分别与NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、电源管理模块、数据存储电路、液晶显示模块、蜂鸣器电路、按键电路电连接，所述NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、蜂鸣器电路、按键电路分别与电源管理模块电连接。

所述控制单元可采用现有技术中的任一微控制器，比如单片机，本实施例可采的是高性能微功耗的单片机R7F0C019。

NB-IoT无线通信模块采用贴片式物联网卡，NB-IoT无线通信模块通过UART总线与微控制器的通讯端相连。作为一种实施方式，NB-IOT无线通信模块包括集成电路SARA-N200，贴片式封装的物联网SIM卡直接焊接在电路板上。NB-IOT无线通信模块选择全向式弹簧天线作为信号收发天线。

按键电路用于触发按键信号，微控制器检测到按键信号时，根据按键信号控制液晶显示模块显示相应信息。作为一种实施方式，按键电路包含按键、上拉电阻和滤波电容，按键信号常态为高电平。微控制器根据按键信号的触发次数和触发时长，控制液晶显示模块显示累计用气量、当前单价、剩余金额等运行参数。更进一步地，通过长按按键大于3s时间，可以触发微控制器控制NB-IoT无线通信模块开启并实时上传一次无线通信数据,上传数据完成后，微控制器控制NB-IoT无线通信模块继续工作一段时间来接收来自于NB-IoT无线通信网络的下行数据。

计数器接口电路包含与微控制器通用IO口相连的模拟脉冲计数接口和与UART通信接口相连的光电直读计数接口；本方案可以根据用户或者现场需求灵活选择安装模拟脉冲计数模块或者是光电直读计数模块；模拟脉冲计数模块采用双扣数计量方案，微控制器可以实现数据计量和磁干扰故障的判别；光电直读计数模块采用UART通信协议传输直读读数。

所述阀门控制电路包括阀门驱动电路和反向脉冲消除电路；阀门控制模块的输入端和微控制器相连，输出端和燃气表的阀门相连接。作为一种实施方式，所述的阀门驱动电路采用集成电路MS8837，反向脉冲消除电路包括滤波电容和反向脉冲抑制二极管。

数据存储模块包含有存储器AT24C256，AT24C256通过I²C总线与微控制器的通讯端相连，存储器AT24C256用于存储控制器的运行参数、近60天的用气数据和10年每月的用气数据等。

液晶显示模块由液晶模块和液晶驱动电路组成，液晶模块选用低功耗LCD液晶，液晶连接微控制器的液晶驱动端口，由微控制器驱动并控制液晶显示模块的工作状态。

工作原理：

本实用新型工作时，微控制器根据系统实时运行参数控制燃气表的按键触发、数据计量、NB-IoT无线数据处理、阀门开关、液晶显示等事件处理。系统运行过程中，NB-IoT无线通信模块平时处于休眠状态，微控制器根据系统预设的定时上传时间和周期，在定时采集用气时间达到时，控制NB-IoT无线通信模块开启并上传实时用气数据和燃气表运行状态信息。微控制器在检测到系统电源低电、计量异常、掉电等故障时会自动开启NB-IoT无线通信模块并上传系统当前的运行状态信息，实现燃气表故障实时上报功能。

NB-IoT无线通信模块在开启并联网的状态下，系统可以接收并处理来自于管理系统下发的远程调价、远程购气、远程阀门控制、运行参数查询等数据，完成远程命令的响应。微控制器在检测到按键动作时，根据按键次数及时间显示用户的用气数据情况，实现人机实时交互的功能；长时按键(按键时间大于3s)时，微控制器实时启动NB-IoT无线通信模块并上传一次用气数据，数据上传成功后，微控制器控制NB-IoT模块继续工作一段时间，完成与上位机之间的远程控制等数据交互。

本实用新型工作稳定可靠，NB-IoT通信技术方案低功耗、低成本和传输距离远的特点，完美地解决了GSM/CDMA技术在物联网燃气表领域的不足。本方案实现的远程调价、远程购气、远程阀门控制、运行监控等功能很大程度上方便了燃气公司的管理，提高了燃气公司的工作效率，降低了燃气公司的维护费用。

Claims (9)

1.一种基于NB-IoT通信的电源管理模块，其特征在于，包括内置电源电路、外置电源电路、DC-DC升降压电路、外置电源检测电路和控制单元电源系统VCC、NB-IoT通信模块、控制单元，所述内置电源电路和外置电源电路分别与控制单元电源系统VCC相连接，所述DC-DC升降压电路与NB-IoT通信模块相连接，所述外置电源检测电路与控制单元相连接。

2.如权利要求1所述的电源管理模块，其特征在于，所述外置电源电路，包括：外置电源接口、备用电容和LDO降压电路，外置电源依次通过外置电源输入接口J1、二极管D1、二极管D2与LDO降压电路相连接，二极管D1和二极管D2之间引出一隔离输出端6V-VCC，所述隔离输出端6V-VCC通过备用电容后接地，所述备用电容包括电容E1和电容E2，所述电容E1和电容E2串联连接后接地。

3.如权利要求2所述的电源管理模块，其特征在于，所述内置电源电路，包括：电阻R1、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R2和接口J2，内置电源通过二极管D3与控制单元电源系统VCC相连接，内置电源分别通过二极管D4、二极管D5与隔离输出端6V-VCC相连接，电阻R1与控制单元相连接，电阻R1、二极管D3、二极管D4、二极管D5并联连接并汇聚于点A，所述点A处引出两条支路，一条支路通过接口J2后接地，另一条支路通过电阻R2后接地。

4.如权利要求3所述的电源管理模块，其特征在于，所述DC-DC升降压电路包括DC-DC集成芯片LT3125，DC-DC集成芯片LT3125的使能端6与控制单元相连接，DC-DC集成芯片LT3125的5端与功率电感L1的一端相连接，功率电感L1的另一端与DC-DC集成芯片LT3125的8端相连接，DC-DC集成芯片LT3125的3端通过电阻R3接地，DC-DC集成芯片LT3125的1端和9端接地，DC-DC集成芯片LT3125的4端处分出两条支路，其中一条支路与隔离输出端6V-VCC相连接，另一条支路通过电容C2接地，DC-DC集成芯片LT3125的2端处引出一点B，所述点B通过电阻R4接地，点B处还引出一点C，点C依次通过电阻R5、电阻R7后再分别通过电容E4、电容E5、电容E6接地，电容C3与电容E6并联连接。

5.如权利要求4所述的电源管理模块，其特征在于，所述外置电源检测电路包括电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10和电容C4，隔离输出端6V-VCC通过电阻R6与控制单元的AD端相连接，隔离输出端6V-VCC与电阻R6之间引出一点D，电阻R6与控制单元的AD端之间引出一点E，点D依次通过电阻R8、电容C4后接地，点E通过电阻R10后接地，电阻R8与电容C4之间引出一点F，点F通过电阻R9接地，点F同时与控制单元的掉电检测端CHECK6V相连接。

6.一种基于NB-IoT通信的物联网燃气表控制器，其特征在于，包括NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、电源管理模块、数据存储电路、液晶显示模块、蜂鸣器电路、按键电路和控制单元，其中控制单元分别与NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、电源管理模块、数据存储电路、液晶显示模块、蜂鸣器电路、按键电路电连接，所述NB-IoT通信模块、短距离无线通信电路、阀门控制电路、计数器接口电路、蜂鸣器电路、按键电路分别与电源管理模块电连接。

7.如权利要求6所述的基于NB-IoT通信的物联网燃气表控制器，其特征在于，所述控制单元为单片机。

8.如权利要求6所述的基于NB-IoT通信的物联网燃气表控制器，其特征在于，NB-IoT无线通信模块采用贴片式物联网卡，NB-IoT无线通信模块通过UART总线与控制单元的通讯端相连接。

9.如权利要求6所述的基于NB-IoT通信的物联网燃气表控制器，其特征在于，NB-IoT无线通信模块选择全向式弹簧天线作为信号收发天线。