基于NB-IoT技术的远程采集终端设计分析

基于NB-IoT技术的远程采集终端设计分
析
摘要：本文对NB-IoT技术进行分析，重点探讨远程采集终端系统的设计方法，介绍了远程采集终端的构成，分别研究采集终端硬件系统和软件系统的设计方案，对远程采集终端在水务系统中的应用情况进行研究，将NB-IoT技术应用在远程采集终端系统中，使远程采集终端具有低功耗的优点，为数据远程采集提供支持。

关键词：NB-IoT技术；远程采集终端；系统设计
前言：3GPP组织在2016年提出了NB-IoT技术（Narrow Band Internet of Things），该技术标准主要面向低速率的物联网环境，能够有效降低功耗，具有较低的传输速率和较大的覆盖范围，可以利用该技术优化无线远程采集系统，对系统进行扩容，延长系统的待机时长，增加数据传输距离。

1 NB-IoT技术概述
NB-IoT技术具有大链接、深覆盖、低成本、低功耗的优点，NB-IoT网络架构为四层架构，终端能够和基站相连，基站可以连接到核心网，经过云平台连接垂直行业中心。

在IoT通信中，最合适的技术就是NB-IoT技术，该技术能够实现独立部署，还能够对电池技术进行兼容。

NB-IoT标准对LTE网络协议进行了简化，可以和当前的系统相匹配。

2采集终端软硬件系统设计
2.1远程采集终端
远程采集终端的设计会影响整体性能，影响系统可靠性。

远程采集终端包含两个部分，一是终端硬件系统，系统中的微处理器能够进行逻辑控制，时钟设置能够延长待机时间，NB-IoT模块能够实现无线通信。

二是终端软件系统，系统的
功耗较低，具有较高的电池利用率。

科学的设计方案能够优化整体性能，保证采
集终端系统的可靠性。

2.2采集终端硬件系统
采集终端硬件系统可以采集数据信息，获取实时数据，了解压力、温度等数
值的变化情况，由中转服务器负责数据处理工作。

硬件系统包含多个模块，如传
感器、通信、电源等方面的模块，这些模块都连接主控模块，如图1所示。

电源
模块具有转化功能，可以为其他模块提供合适的电压。

传感器收集信息后，会将
信息传输到主控模块，主处理器起到主要的控制作用。

当采集终端和基站想要传
输信息时，可以在NB-IoT通信模块的支持下进行通信，模块会发送AT指令，根
据该指令完成信息交互工作。

在系统设计中，要选择合适的主控制器，尽量选择
低能耗的微处理器。

设计外围电路时，尽量延长待机时间，发送数据后转换为睡
眠状态。

与主控模块进行连接的过程中，可以通过SPI方式连接液压传感器，还
可以通过IIC方式连接温度传感器。

选择线性低压差电压调节器时，主要安装了NMOS传输软件，形成了NMOS拓扑结构，能够有效控制电压。

通信模块连接NB基
站和主控模块，需要合理选择NB-IoT通信芯片，确定NB-IoT模块，对通信子系统、电源模块、接口电路子系统进行设计。

图1 采集终端硬件系统总体设计
2.3采集终端软件系统
采集终端软件系统包含三个部分，一是硬件层，主要包括晶振、串口控制器、终端、CPU；二是驱动层，最主要的是STM嵌入式操作系统，驱动程序包括IIC
驱动、SPI驱动以及串口驱动等；三是应用层，主要包括NB-IoT数据传输程序等，
软件系统的结构框架如图2所示。

重点对驱动程序和应用软件程序进行设计，驱
动程序可以驱动传感器，还能够与外接设备、操作系统进行交互。

对于软件程序
来说，主要包括NB-IoT传输程序等，能够对数据进行加密。

在软件功能的设计中，主要包括扩三个模块，一是通信模块，能够和上位机进行交互，可以实现上
行通信和下行通信。

二是数据采集模块，能够对PH值、液压、温度等数据信息
进行采集。

三是数据处理模块，该模块能够实现睡眠控制，还能对数据进行处理。

对数据采集模块软件进行设计时，需要注意采集间隔时间，合理的采集间隔能够
保证数据的完整性，满足实时监测的要求，对“四表”数据进行采集时，将间隔
时间设置为6-24h。

在远程通信软件的设计中，需要合理设计通信模块的功能，
在该模块中增加在线检测工作、定期连接网络功能、接收网络下发信号[1]。

图2 采集终端软件系统结构框架图
3远程采集终端在水务系统中的应用
3.1水务系统总体设计方案
水务系统运用了NB-IoT技术，该技术能够将采集的数据保存在云服务企业，部分数据的保密程度较高，如果将重要数据存储在第三方企业，有可能面临一定
的安全风险。

必须要重视安全性和保密性的要求，对监控服务器、数据库服务器、管理服务器、WEB服务器等进行综合设计。

设备层主要运用了NB-IoT技术，对数
据进行MCU处理，将其转化为JSON格式。

中转服务器具有管理功能，可以对数
据进行定向转发。

对于业务用户端来说，可以在企业Web前段显示出来，用户能
够随时查看用水数据，查看水表数据。

3.2数据库设计
数据库由多个部分构成，可以将告警表、设备表的数据存储到数据库中，还
可以存储用户表、配置表的数据。

当业务端服务器接收到信息后，可以解析信息，对于data类型的数据来说，出现数据缺失等情况时，会发出返回提示信息，重
新发送信息。

对于非data类型的数据来说，可以直接返回数据[2]。

3.3水务系统整体测试
在水务系统测试中，重点对采集终端的运行情况进行测试和分析，对串口参
数进行设计，配置完成后，终端就能够和服务器相互通信。

确定配置方式时，主
要包括两种配置，分别是远程配置与串口配置，要合理设计参数。

将服务器和终
端连接起来，对数据进行上传。

在CoAP协议的应用中，终端可以数据库相连。

经过测试，可以知道，采集终端能够满足水厂使用需求，有较好的性能。

结论：根据NB-IoT的低功耗物联网系统构建远程采集终端，能够保证电池
供电的稳定性，还能够降低整体的体积，重点对远程采集终端的硬件功能模块和
软件系统进行设计，对水务系统中的远程采集终端设计方案和应用要点进行研究，充分发挥NB-IoT技术的优势，扩大远程采集终端系统的覆盖范围，降低系统运
行的功耗，确保系统具有良好的性能。

参考文献：
[1]刘贤德. 基于NB-IoT的电能质量采集及分析系统关键技术研究与实践
[D].苏州大学,2020.
[2]苏俊盼. 基于NB-IoT技术的远程采集终端设计与实现[D].西安科技大
学,2019.。