CN207337641U - 一种基于nb-iot 技术的低功耗无线数据集中器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于NB‑IOT技术的低功耗无线数据集中器，其技术特点在于：包括微处理器、NB‑IOT无线通讯模块、LoRa无线通讯模块、数据存储单元、LCD显示模块和锂电池及SPC供电模块；所述微处理器与NB‑IOT无线通讯模块相连接，用于与上行服务器通讯；该微处理器还与LoRa无线通讯模块相连接，用于与下行表端通讯；该微处理器还与数据存储单元相连接，用于存储设备运行参数和采集的历史数据；所述锂电池及SPC供电模块与微处理器相连接并为数据集中器供电；所述微处理器还与LCD显示模块相连接，用于显示系统工作状态及网络连接状态。本实用新型通过采用NB‑IOT模块代替传统的GPRS模块进行无线数据传输，与传统GPRS技术的集中器相比，具有超低功耗、连接多和覆盖广等优点。

Description

一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器

技术领域

本实用新型属于智能抄表、计量表数据集中式无线远传及监控技术领域，涉及数据集中器，尤其是一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器。

背景技术

目前，数据集中器被广泛地应用在水表中，通常采用GPRS技术进行数据无线远传，但采用GPRS技术进行数据无线远传的数据集中器存在功耗大、信号覆盖差和基站容量小的缺陷。

而且，现有的市电供电的传统集中器存在现场安装不方便的问题。

经检索，未发现与本实用新型相同或相似的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、低功耗、连接多、覆盖广且可实现简易安装的基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器，包括微处理器、NB-IOT无线通讯模块、LoRa无线通讯模块、数据存储单元、LCD显示模块和锂电池及SPC供电模块；所述微处理器与NB-IOT无线通讯模块相连接，用于与上行服务器通讯；该微处理器还与LoRa无线通讯模块相连接，用于与下行表端通讯；该微处理器还与数据存储单元相连接，用于存储设备运行参数和采集的历史数据；所述锂电池及SPC供电模块与微处理器相连接并为数据集中器供电；所述微处理器还与LCD显示模块相连接，用于显示系统工作状态及网络连接状态。

而且，所述锂电池及SPC供电模块作为集中器的唯一供电电源，分别通过电源管理单元和电池容量检测单元与微处理器相连接并为数据集中器供电。

而且，所述微处理器的主控芯片采用型号为SH79F6431单片机。

而且，所述NB-IOT无线通讯模块采用BC95系列无线通信模块。

而且，所述LoRa无线通讯模块采用型号为SX1278的无线通讯芯片作为LoRa前端射频单元。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型集中器包括微处理器、NB-IOT模块、LoRa通讯模块、数据存储单元、LCD显示模块和锂电池及SPC供电单元；通过采用NB-IOT模块代替传统的GPRS模块进行无线数据传输，与传统GPRS技术的集中器相比，具有超低功耗、连接多和覆盖广等优点。

2、本实用新型采用锂电池+SPC作为集中器的唯一供电电源，在一次性锂电池单独供电情况下可使系统持续运行时间大于3年。有效解决了市电供电的传统集中器存在现场安装不方便的问题，很好的降低了现场安装的复杂度。

3、本实用新型基于蜂窝的窄带物联网NB-IoT(Narrow Band Internet ofThings,)技术，依托移动蜂窝网络具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，特别适合远程抄表应用。

4、本实用新型通过NB-IoT无线通讯模块引入了eDRX省电技术和PSM省电模式，降低了功耗，延长了电池使用时间；针对覆盖范围，比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方；在基站容量方面，NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，在同一基站的情况下，NB-IoT能够比现有无线技术提供50～100倍的接入数。

5、本实用新型基于LoRa无线通讯模块的LoRaTM扩频通信技术以其“一长三低”(长距离，低功耗，低价格，低速率)的特点，特别适用于大量的物联网需求：表计集抄、资产管理、环境监测等场合。并采用SX1278射频收发芯片设计无线前端通讯单元，确保了模块通信距离与抗干扰能力的同时保证了非常低的电流消耗。

附图说明

图1是本实用新型的电路框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例作进一步详述：

一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器，如图1所示，包括微处理器、NB-IOT无线通讯模块、LoRa无线通讯模块、数据存储单元、LCD显示模块和锂电池及SPC供电模块；所述微处理器与NB-IOT无线通讯模块相连接，用于与上行服务器通讯；该微处理器还与LoRa无线通讯模块相连接，用于与下行表端通讯；该微处理器还与数据存储单元相连接，用于存储设备运行参数和采集的历史数据；所述锂电池及SPC供电模块与微处理器相连接并为数据集中器供电；所述微处理器还与LCD显示模块相连接，用于显示系统工作状态及网络连接状态。

在本实施例中，所述微处理器的主控芯片采用型号为SH79F6431单片机。

在本实施例中，所述NB-IOT无线通讯模块采用高性能、超低功耗的BC95系列无线通信模块。

在本实施例中，所述LoRa无线通讯模块采用高性能、低功耗的SX1278作为LoRa前端射频单元。

在本实施例中，所述锂电池及SPC供电模块是集中器的唯一供电电源分别通过电源管理单元和电池容量检测单元与微处理器相连接并为数据集中器供电。

下面分别对所述电源管理单元和电池容量检测单元的组成和功能进行详细说明：

(1)电源管理单元：

1>.采用TI公司的超低静态电流的同步升降压转换器电源芯片TPS61099对+3.6V锂电池输出进行稳压；稳压输出+3.8V后给BC95模块单独供电。从而在满足高效率和低功耗的同时保证在锂电池电压小于3.1V且大于2.7V时仍能给BC95模块稳定供电。

在BC95模块处于长期休眠状态时可以通过TPS61099芯片输出使能端引脚关断+3.8V输出，降低系统功耗。

集成电路TPS61099参数:

输出可调：+3.8V；IoutMax＝800mA；WCSP-6封装。

静态电流<＝800nA；EN脚失能时关断电流<＝400nA；负载电流<＝3uA；效率95％。

2>.数据集中器其他部分通过锂电池直接供电。

(2)电池容量检测单元：

锂电池剩余电量采集通过MCU SH79F6431片内资源10位的模数转换器ADC实现。

本实用新型提供了一种可通过锂电池单独供电工作的低功耗数据集中器，在保证数据通讯稳定可靠的基础上，很好的降低了现场安装的复杂度。具有以下特点：

(1)本实用新型的集中器能采集多个远传水表的水量及状态信息，按设定的抄收间隔及抄表周期自动采集各用户计量终端的累计水量功能，对所属表具的水量数据和状态信息群抄和单抄功能，向远传水表传达开关阀门指令功能，采集数据可在集中器内储存(一定时间范围)，同时通过NB-IOT网络和手持抄表器具将数据传递到数据管理中心。

(2)本实用新型的集中器下行与表端之间无线通讯采用的LoRa通信技术，无线电工作频段：470MHz～510MHz。

(3)本实用新型的集中器具有自诊断和异常信息记录功能，可自动进行自检，发现设备(包括通信)异常，有记录和报警功能。

(4)本实用新型的集中器具备自动管理电源供电，集中器停电后能至少能维持2次上报停电信息的数据通讯。

(5)本实用新型的集中器具有表具阀门开关控制功能。

(6)本实用新型的集中器上行与服务器之间通过运营商部署的NB-IOT网络进行数据通信。

(7)本实用新型的集中器可设置初始参数、抄读间隔；并有防止非授权人员操作的功能。

(8)本实用新型的集中器具有诊断维护接口，现场手持设备通过无线或有线接口对集中器进行维护、诊断、数据交换。

(9)本实用新型的集中器通过低功耗的段码LCD屏显示系统工作状态及网络连接状态，便于设备前期部署安装及后期故障诊断。

(10)本实用新型的集中器具有系统参数存储功能，且掉电不丢失；采用非易失性存储器EEPRM存储集中器参数。

(11)本实用新型的集中器具有大数据量存储功能；采用大容量闪存FLASH存储集中器采集的本地表端数据。在网络故障时，自动保存数据，便于在网络恢复时主动上报服务器数据。

(12)本实用新型的集中器为了尽量降低集中器功耗，根据BC95模块的特点，集中器采用定时上报的方式与服务器数据通讯。本发明设计集中器每1小时上报一次数据，在接收服务器的应答指令中解析出服务器对集中器的参数设置命令，然后更新本集中器参数。

(13)本实用新型的集中器为了尽量降低集中器抄表系统的功耗，集中器下行抄表指令包含在唤醒帧中。集中器定时(30分钟)向表端下发抄表指令唤醒帧。唤醒帧由15个唤醒码和1个数据码组成。设计的15个唤醒码的时间长度为2045ms，完全覆盖表端的唤醒周期2000ms，确保能够成功唤醒终端表。同时，唤醒帧中的数据码包含集中器下属的终端规模和时隙宽度，从而保证终端按照各自时隙应答数据。

(14)集中器按照(13)所述的方式来控制自身的休眠与唤醒时隙，来准确接收下行终端表的应答数据。从而进一步降低集中器功耗。

本实用新型的工作原理为：

本发明的集中器端设备采用低功耗设计，在一次性锂电池单独供电情况下可使系统持续运行时间大于3年。对于要求集中器使用寿命6年以上的情况，可以用2节锂电池实现。

为验证本发明的集中器具有低功耗的优点，针对集中器内各模块进行以下功耗计算：

集中器的主要功耗单元为：

(1)LoRa无线通讯模块SX1278

供电电压：+1.8V～+3.6V；

LoRa前端射频单元低功耗设计：接收电流不大于14mA，发射电流不大于120mA@20dBm(100mW)；发射电流不大于87mA@17dBm(50mW)。

发射电流不大于90mA@17dBm,接收电流不大于14mA@CAD接收模式，休眠电流100nA@+3.3V

实际工作参数：

1、扩频因子SF＝9，信号带宽BW＝125KHz，编码率CR＝1，显示报头模式。传输功率14dbm。发射电流44mA，CAD接收电流10.8mA，休眠电流100nA。@+3.3V

2、唤醒码：前导6个Symbols，负载5个字节；传输时间115ms。数据码：前导6个Symbols，负载50个字节；传输时间320ms；集中器发送的唤醒帧包括：15个唤醒码和1个数据码。传输用时15*115+320＝2045ms。

3、集中器每30分钟发送一次抄表指令，用时2045ms，耗能：44mA*2045ms＝89.98mA.S

4、设定集中器挂50块表，每次抄表，接收50块表应答上报数据；耗能：10.8mA*320ms*50＝172.8mA.S

其他时间休眠：耗能：(30*60-2.045-16)s*100nA＝0.178mAS

平均功耗：(89.98mA.S+172.8mA.S+0.178mAS)/(30*60S)＝0.146mA

(2)NB-IOT无线通讯模块BC95

NB-IOT无线通讯单元采用移远通信的BC95系列模组；接收电流61mA，发射电流250mA，休眠电流5uA，空闲电流6mA@+3.8V；

实际工作参数：

1、集中器每1个小时向UDP服务器上报一次数据。字节数20个。实测用时200ms耗能：250mA*200ms＝50mA.S。

2、发送完成后模块进入接收模式。根据NB-IOT核心网配置的参数，接收模式持续24s，耗能：61mA*24S＝1464mA.S。

3、根据NB-IOT核心网配置的参数空闲模式持续6s，耗能：6mA*6S＝36mA.S。

4、休眠模式耗能：5uA*(1*60*60-24-6-0.200)S＝17.89mA.S。

平均功耗：(50mA.S+1464mA.S+36mA.S+17.89mA.S)/(1*60*60S)＝0.43mA

(3)微处理器SH79F6431:

VDD:3.0V～3.6V,典型值3.3V

VBAT:2.40V～3.6V,典型值3.3V

工作电流：Iop＝6mA@3.3V，Fsys＝4.9152MHz,PLL开。

空闲模式IDLE电流：Isb1＝11uA@3.3V，Fsys＝32.768khz,PLL开

掉电模式Power-Down电流：Isb2＝10uA@3.3V，Fsys＝oFF,PLL关

实际工作参数：

单片机1个小时内唤醒2次：SX1278下行抄表唤醒一次，BC95上行上报唤醒一次。

其中，SX1278下行抄表唤醒时，单片机工作模式持续时间2ms+5ms*50＝252ms。(SX1278FIFo方式数据发送和接收，程序执行时间很短，主要是CAD接收侦听的时间；

BC95上行上报唤醒时，单片机工作模式持续时间6s。(程序执行时间很短，几个ms，主要是发送AT指令和等待模块应答时间)

单片机运行功耗：6mA*(252ms+6S)＝37.512mA.S

单片机休眠功耗：11uA*(60*60-252ms-6S)＝39.5mA.S.

平均功耗：(37.512mA.S+39.5mA.S)/(60*60S)＝0.0214mA

综合计算平均功耗：0.146mA+0.43mA+0.0214mA＝0.5974mA

采用大容量一次性锂电池ER34505M，19AH，即总电能19000mA.H.

计算寿命：总能耗时间：19000mA.h/0.5974mA＝31804h，约3.6年。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器，其特征在于：包括微处理器、NB-IOT无线通讯模块、LoRa无线通讯模块、数据存储单元、LCD显示模块和锂电池及SPC供电模块；所述微处理器与NB-IOT无线通讯模块相连接，用于与上行服务器通讯；该微处理器还与LoRa无线通讯模块相连接，用于与下行表端通讯；该微处理器还与数据存储单元相连接，用于存储设备运行参数和采集的历史数据；所述锂电池及SPC供电模块与微处理器相连接并为数据集中器供电；所述微处理器还与LCD显示模块相连接，用于显示系统工作状态及网络连接状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器，其特征在于：所述锂电池及SPC供电模块作为集中器的唯一供电电源，分别通过电源管理单元和电池容量检测单元与微处理器相连接并为数据集中器供电。

3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器，其特征在于：所述微处理器的主控芯片采用型号为SH79F6431单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器，其特征在于：所述NB-IOT无线通讯模块采用BC95系列无线通信模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT技术的低功耗无线数据集中器，其特征在于：所述LoRa无线通讯模块采用型号为SX1278的无线通讯芯片作为LoRa前端射频单元。