摘要：抄表工作在電力以及供水企業(yè)等基本工作當(dāng)中占據(jù)重要位置，其工作質(zhì)量對企業(yè)經(jīng)營管理以及服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，在企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的抄表工作多以人工一戶一表的方式進(jìn)行，不僅耗時耗力，其實(shí)時性也比較差，并且還存在管理繁瑣的問題。本文以基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計為研究對象，結(jié)合實(shí)際需求和相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對智能抄表系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計原則進(jìn)行梳理分析，然后列舉了基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)總體功能設(shè)計和系統(tǒng)硬件設(shè)計，最后總結(jié)了基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)測試內(nèi)容及測試結(jié)果，期望可以為智能抄表系統(tǒng)設(shè)計工作的開展提供更多的思路。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;STM32;智能抄表系統(tǒng);水量監(jiān)測

1 前言

近年來，人們的生活水平實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越改變，在這樣的時代背景下人們的用電量、用水量以及用氣量都持續(xù)上升，相應(yīng)的水電氣抄表工作任務(wù)量劇增，傳統(tǒng)的抄表工作多以人工一戶一表的方式進(jìn)行，不僅耗時耗力，其實(shí)時性也比較差，并且還對物業(yè)管理質(zhì)量以及住戶服務(wù)體驗(yàn)造成明顯的負(fù)面影響。已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化的物業(yè)管理需求。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢的智能抄表系統(tǒng)，正在全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工抄表方式。

NB-IoT為Narrow band Internet of things的簡寫，可以將其翻譯為窄帶物聯(lián)網(wǎng)，這一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)檫@一技術(shù)具有成本小、功耗低、容量大以及覆蓋廣等突出優(yōu)點(diǎn)，可以確保海量物聯(lián)設(shè)備都有效接入，并且還可以突破地形的限制。將NB-IoT通信技術(shù)應(yīng)用至智能抄表系統(tǒng)設(shè)計工作中，可以有效提升數(shù)據(jù)收集方式的準(zhǔn)確性以及高效性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時還能夠有效抵抗各項(xiàng)干擾，為數(shù)據(jù)管理的公開透明性提供保障?；贜B-IoT和STM32設(shè)計的職能抄表系統(tǒng)，可以對水電氣三表數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，同時還能夠提升抄表效率以及降低抄表成本。

2 智能抄表系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計原則

智能抄表系統(tǒng)主要是指在避免人工干涉的情況下，在機(jī)房中直接獲取水電氣表的實(shí)時數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)傳輸至管理端，其應(yīng)用可以明顯提升用電用水用氣管理水平，并且也符合如今自動化辦公的要求。智能抄表系統(tǒng)不僅有助于實(shí)時查看水電氣表數(shù)據(jù)，還能夠?qū)ψ儔浩鞯认嚓P(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，這一系統(tǒng)主要具有節(jié)約成本、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確以及時效性等特點(diǎn)。水電氣表的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)值與相關(guān)企業(yè)的人員配置以及企業(yè)經(jīng)濟(jì)收入具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，因此只有保障了抄表系統(tǒng)的優(yōu)秀性，才能夠?yàn)槠髽I(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理提供保障。在設(shè)計智能抄表系統(tǒng)時，不僅要確保其滿足水電氣企業(yè)的自身建設(shè)以及管理需求，還應(yīng)當(dāng)遵循系統(tǒng)的實(shí)用性原則、先進(jìn)性原則、安全性原則以及可靠性原則等。實(shí)用性原則主要是指在進(jìn)行智能抄表系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計時，一定要充分結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需求，保障企業(yè)的數(shù)據(jù)流入和流出，確?？梢酝暾麑?shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期功能，又要節(jié)約資金以及簡化算法。先進(jìn)性原則主要是指在設(shè)計過程應(yīng)吸收前人優(yōu)秀的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，還應(yīng)當(dāng)將超前的先進(jìn)技術(shù)適當(dāng)融入其中，既要考慮管理者的使用習(xí)慣，還應(yīng)當(dāng)考慮到今后更新?lián)Q代的需求。系統(tǒng)一般具有良好的軟件和硬件兼容性，可以對未來可能發(fā)生的變化進(jìn)行適應(yīng)，為今后系統(tǒng)修改、優(yōu)化和升級提供便利。在信息共享明顯提升的同時，信息安全問題引起越來越多人的關(guān)注，如果水電氣抄表數(shù)據(jù)發(fā)生泄漏，會嚴(yán)重干擾到企業(yè)正常的生產(chǎn)經(jīng)營活動，導(dǎo)致企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在設(shè)計智能抄表系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的訪問群體設(shè)置相應(yīng)的用戶權(quán)限，確保系統(tǒng)安全性。智能抄表系統(tǒng)的可靠性主要是指，確保系統(tǒng)可以長時間運(yùn)行以及達(dá)到快速解決系統(tǒng)故障的目的。

3 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)總體設(shè)計

基于NB-IoT和STM32智能抄表系統(tǒng)可以對大量水電氣表相關(guān)用量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化的抄讀，避免了一對一入戶抄表的繁雜性，電源屬于這一系統(tǒng)中不可缺少的重要連接部分，而具體功能的實(shí)現(xiàn)則需要依靠電子水表、主控制器、云平臺、移動客戶端以及NB-IoT模塊等發(fā)揮各自的功能，并且還要將這幾個組成部分通過合理的設(shè)計工作串聯(lián)成一個完整的系統(tǒng)（如圖1所示）。借助窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而設(shè)計的智能抄表系統(tǒng)的主控制器為STM32L476，這一控制器具有性能優(yōu)良以及成本低的特點(diǎn)，并且對于各種嵌入式開發(fā)具有廣泛的適應(yīng)性。另外，STM32L476主控制器還具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，因此可以滿足不同類型的便攜式設(shè)備。電子水表主要是用于計量用戶的水量使用數(shù)據(jù)，RS485電子水表具有廣泛的應(yīng)用范圍，并且具有專屬的通信接口，在其通信接口的支撐作用下，可以有效通信STM32 MCU。之后，系統(tǒng)當(dāng)中的主控制器會下達(dá)相應(yīng)的指令，電子水表不僅能夠響應(yīng)指令，還能夠支撐進(jìn)一步的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)當(dāng)中的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊可以將電子水表采集的數(shù)據(jù)傳送到移動云平臺，相關(guān)工作人員以及管理人員可以實(shí)時查看移動客戶端或者PC端的用戶數(shù)據(jù)。基于NB-IoT和STM32智能抄表系統(tǒng)中STM32L476主控制器所具有的功能重要性不容忽視，在進(jìn)行設(shè)計工作中應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮主控制器接收處理存儲相關(guān)計量數(shù)據(jù)的功能，并且還應(yīng)當(dāng)發(fā)揮其為云平臺上傳數(shù)據(jù)的作用。另外，所設(shè)計的系統(tǒng)的主控制器還應(yīng)當(dāng)為接收和響應(yīng)客戶端指令服務(wù)。

4 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件屬于智能抄表系統(tǒng)設(shè)計工作中的重頭內(nèi)容，一般情況下其硬件設(shè)計主要涉及主控制器、電源、電子水表以及通訊模塊，而依靠NB-IoT和STM32所設(shè)計的硬件中的通訊模塊則是以NB-IoT通訊模塊為主，每一部分硬件設(shè)計工作都不容忽視。系統(tǒng)當(dāng)中的不同硬件承擔(dān)的功能具有明顯差異，但是每一部分都不可或缺，簡單來說系統(tǒng)當(dāng)中的主控制器的功能主要是完成采集控制和數(shù)據(jù)處理工作，同時還具備封裝數(shù)據(jù)傳至NB-IoT通訊模塊的功能，一般選擇STM32作為主控制器。電子水表也是系統(tǒng)當(dāng)中必不可少的硬件之一，并且水表還應(yīng)當(dāng)具備相應(yīng)的通信接口，在部分設(shè)計方案中選擇RS485電子水表，其具備一個RS485通信接口，可以與主控制器進(jìn)行有效連接，主要通過RS485通信方式。為了確保整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)確保電源模塊供電的穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，已有許多科研院校注重智能抄表系統(tǒng)設(shè)計工作，并取得可喜的設(shè)計應(yīng)用成果。

4.1 主控制器電路、NB-IoT模塊電路、水量計量采集電路設(shè)計

（1）以某一依靠NB-IoT和STM32開展的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計工作為例，在其所設(shè)計的系統(tǒng)中選擇具有超低功耗的STM32L476作為系統(tǒng)主控制器。另外，其電源和采集芯片也采用低功耗芯片。（2）NB-IoT通訊模塊設(shè)計屬于這一系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)計內(nèi)容，該系統(tǒng)主要選擇了BC95模塊、天線、專用物聯(lián)網(wǎng)卡插座等，這幾部分發(fā)揮著不可或缺的功能，其中最重要的射頻模塊便是BC95模塊，其主要承擔(dān)著為連接NB-IoT基站服務(wù)的功能，并且在接收計量數(shù)據(jù)以及上傳數(shù)據(jù)等方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。（3）水量計量采集模塊的設(shè)計直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，對于最終抄表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生決定性影響，本文中所提到的智能抄表系統(tǒng)主要是結(jié)合了高精度電子水表對轉(zhuǎn)換水量數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)計量和精確標(biāo)定。

4.2電源模塊電路設(shè)計

在進(jìn)行智能抄表系統(tǒng)電源設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)充分考慮其對于系統(tǒng)正常工作所產(chǎn)生的直接影響。另外，在設(shè)計工作中不應(yīng)當(dāng)僅僅最求先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，還應(yīng)當(dāng)注重系統(tǒng)的使用體驗(yàn)，確保所設(shè)計的硬件系統(tǒng)在安裝時具有簡潔性，同時還應(yīng)當(dāng)確保所設(shè)計的系統(tǒng)具有低功耗的特點(diǎn)，將主控制器、電源、NB-IoT模塊、RS485電子水表這幾部分進(jìn)行有效連接融為一體。

系統(tǒng)供電時離不開主控制器、NB-IoT模塊以及電子水表這3個硬件部分，并且設(shè)計過程應(yīng)始終對布線供電成本還有復(fù)雜性等進(jìn)行綜合考慮，吳應(yīng)雨等所設(shè)計的系統(tǒng)在穩(wěn)定電壓時主要是選擇電池以及LM2596集成芯片，在為系統(tǒng)的NB-IoT模塊進(jìn)行供電時，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)壓處理，這一過程可以選擇COMS穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器。在主控制器軟件設(shè)計過程通信協(xié)議占據(jù)重要位置，RS485通訊協(xié)議主要應(yīng)用在主控制器與RS485電子水表之間，在進(jìn)行通訊時主要是依靠Modbus RTU 傳輸方式，將傳輸波特率設(shè)置為9600bit/s。

4.3 云平臺對接以及移動客戶端設(shè)計

（1）智能抄表系統(tǒng)中的云平臺主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時也兼具調(diào)試NB-IoT 模塊的功能。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計確保NB-IoT模塊、云平臺、移動客戶端這三部分可以有效對接，應(yīng)當(dāng)先建立NB設(shè)備，同時還應(yīng)當(dāng)將其對應(yīng)的唯一識別碼IMEI號進(jìn)行綁定，依靠移動客戶端與設(shè)備進(jìn)行直接連接，在進(jìn)行身份驗(yàn)證連接時則主要依靠平臺生成的唯一注冊碼，由此可以實(shí)現(xiàn)上述三部分的有效對接。（2）可以設(shè)計移動客戶端實(shí)現(xiàn)智能抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可視化，本文中所提到的吳應(yīng)雨等基于NB-IoT和STM32設(shè)計的的智能抄表系統(tǒng)的移動客戶端的開發(fā)環(huán)境為Android 4.0，系統(tǒng)開發(fā)過程主要是以JAVA語言為主，設(shè)計過程所遵循的設(shè)計風(fēng)格為 material-design。智能抄表系統(tǒng)中移動客戶端主要為實(shí)時查詢用戶水量存儲而服務(wù)，在兼具較高實(shí)時性的同時還具有服務(wù)智能化的特點(diǎn)。

4.4 基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)測試情況

基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)測試內(nèi)容主要包括水量數(shù)據(jù)采集測試以及水量數(shù)據(jù)上傳功能測試等。對基于NB-IoT和STM32設(shè)計的的智能抄表系統(tǒng)以及基于 NB-IoT 設(shè)計的智能水表抄表系統(tǒng)[6]測試結(jié)果進(jìn)行分析，此類智能抄表系統(tǒng)經(jīng)過測試，硬件以及軟件系統(tǒng)可以有效結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)電子水表水量數(shù)據(jù)查詢、存儲以及時段水量準(zhǔn)確高效查詢等功能，滿足智能抄表系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用需求，進(jìn)一步提升抄表工作的便捷性，減輕相關(guān)工作人員的抄表工作以及管理工作負(fù)擔(dān)，為供水公司智能管理的實(shí)現(xiàn)提供可靠支撐。

5 結(jié)語

綜上所述，智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)有利于傳統(tǒng)抄表工作的徹底改革創(chuàng)新，提升抄表工作的及時性、準(zhǔn)確性以及高效性，為現(xiàn)代化物業(yè)管理的實(shí)現(xiàn)提供保障?；贜B-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用，可以明顯改善傳統(tǒng)抄表方式所具有的弊端，并且實(shí)現(xiàn)抄表過程的低功耗、廣接入以及強(qiáng)覆蓋，在設(shè)計過程應(yīng)當(dāng)遵守遵循實(shí)用性原則、先進(jìn)性原則、安全性原則以及可靠性原則等智能抄表系統(tǒng)設(shè)計原則，結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求對系統(tǒng)硬件以及軟件進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計，以此來促進(jìn)智能抄表系統(tǒng)的進(jìn)一步普及以及相關(guān)行業(yè)的智能化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李帥.基于NB-IoT智能水表抄表系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].信息與電腦（理論版），2021，33（11）：94-96.

[2]黃鈺.智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2020.

[3]朱珠.基于LoRa的智能電表抄表系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，2020.

[4]張得龍，李燕，劉國亭，左仲善.窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（13）：60-61.

[5]吳應(yīng)雨，陳運(yùn)雷，葛知著，劉紫燕.基于NB-IoT和STM32的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2020，39（12）：59-65.

[6]吳正平，張兆蒙，李東，顏華，尹凡，馬占穩(wěn).基于NB-IoT智能水表抄表系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（11）：93-95.

作者簡介：石巧云（1981-），女，漢，安徽宿松人，講師，碩士，嵌入式產(chǎn)品開發(fā)與教學(xué)研究。

課題基金項(xiàng)目：2021年橫向課題——基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的智能水表流量計量系統(tǒng)研究;2020年安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目（2020mooc034）。