CN110324880A - 基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于NB‑IoT窄带物联网的用电信息采集***及其工作方法，属于电力技术领域，特别涉及到一种用电信息采集***及其工作方法，包括主站***、远程无线网络及终端采集层，本发明通过设计功耗和成本上比3G/4G产品及电力无线专网产品更优；在稳定性上它比GPRS更好，从覆盖区域和海量接入又比470MHz微功率无线技术更强大，进一步优化电力行业数据传输的通信质量，提升电力及营销业务管理效率，降低日常运维成本做好技术储备。

Description

基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***及其工作方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，特别涉及到一种用电信息采集***及其工作方法。
背景技术
随着物联网的兴起，各类新兴无线技术也相继在国内面世，其中影响最大最明显的当属NB-IoT(窄带物联网)。NB-IoT作为新兴物联网技术，具有低功耗、低成本、广覆盖、海量节点等优势，为促进NB-IoT行业的发展，2017年国家先后出台了多项重大的物联网政策。其中，工信部于2017年6月发布《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》。到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。
近几年电力事业迅速发展，智能电网不断扩大和创新，电力用户用电信息采集***已作为加快营销计量、抄表、收费标准化建设的重要技术支撑手段。采集***的建设，是为了实现计量装置在线监测和用户负荷、电量、电压等重要信息的实时采集，及时、完整、准确地为“SG186工程”营销业务应用提供电力用户实时用电信息数据，为建立适应市场变化、快速反映客户需求的营销机制，从客户用电信息的源头提供数据支持，为“分时电价、阶梯电价、全面预付费”的营销业务策略的实施提供技术基础。
而当前，用户对供电质量和可靠性的要求也越来越高，其中电力营销业务***使用各类智能终端进行在线实时数据交互的需求日益迫切。尤其对远端通信，即电力终端与电力主站之间的通信要求越来越高，主要包括通信带宽、可靠性、安全性、实时性等要求都在不断提高。
基于新型物联网技术NB-IoT设计的无线通信设备，可以有效补充已有通信方式的不足，在功耗和成本上比3G/4G产品及电力无线专网产品更优；在稳定性上它比GPRS更好，从覆盖区域和海量接入又比470MHz微功率无线技术更强大，甚至2G/3G/4G通信都难以达到，因此开展面向电力终端的NB-IoT远程通信模块技术研究势在必行，同时也为进一步优化电力行业数据传输的通信质量，提升电力及营销业务管理效率，降低日常运维成本做好技术储备。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这些问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供远端通信可靠性、安全性和实时性更高的电表采集***，符合电力营销业务和用户对供电质量和可靠性日益提高的要求。
基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***，其特征在于，包括：主站***、远程无线网络及终端采集层，
所述主站***包括主站服务器及隔离网关，主站***通过远程无线网络与终端采集层数据连接；
其中远程无线网络包括运营商基站构建的核心网络；
其中终端采集层包括NB-IoT基站、NB-IoT通信模块及用电表；
其中NB-IoT通信模块包括有处理器，且NB-IoT通信模块与电表连接， NB-IoT通信模块与NB-IoT基站数据连接。
基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***的工作方法，基于上述的基于 NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***，其特征在于，包括以下步骤：以下步骤顺次进行
步骤一、终端采集层的NB-IoT通信模块上电复位，NB-IoT通信模块进行初始化，对NB-IoT通信模块携带的SIM卡初始化过程，读取SIM卡信息等操作；
步骤二、NB-IoT通信模块进行PLMN公共陆地移动通信网络选择，即根据 SIM信息选择运营商网络；
步骤三、经过步骤二运营商选择后，NB-IoT通信模块进行扫频操作，NB-IoT 通信模块根据预先设置的波段的先后顺序进行扫频，频率搜索如下：
SCS快搜/CCS慢搜：
SCS快搜，搜索从先验频点开始SCS快搜搜索；
先验频点即为上次NB-IoT通信模块成功通信的频点，频点数据保存在 NB-IoT通信模块的NV非易失性存储器的空间中；
如果没有先验频点，或者在先验频点未搜到远程无线网络的基站，则SCS 快搜搜索会被拒绝，然后开启CCS慢搜进行搜索；
步骤四、NB-IoT通信模块频率搜索最终可以找到选定频点可用的小区信号，这里只是NB-IoT通信模块的UE***被动监听NB-IoT基站的广播信号；
步骤五、NB-IoT通信模块消息解读，即读取步骤四中获得的小区***消息，会根据小区的信号强度将小区按照先后顺序给列出来，然后根据S准则即小区选择准则来判断小区是否可用：
步骤六、NB-IoT通信模块搜索到可用的小区之后，就会对可用小区发起网络附着请求，并触发建立RRC链路即无线资源控制请求，如果现场网络环境不好的情况下会发现：发起网络attach req附着请求后，远程无线网络一直没有回复，NB-IoT通信模块会重新发起建立链接请求，导致入网时间长；
步骤七、NB-IoT通信模块随机接入远程无线网络下的运营商基站，随机接入失败后NB-IoT通信模块会重新再次发起接入；
步骤八、步骤七中NB-IoT通信模块随机接入成功后，收到远程无线网络下的运营商基站的RRC建链即建立无线资源控制链路回复命令，RRC无线资源控制建立成功；
步骤九、RRC无线资源控制建立成功后，收到基站附着请求接受回复命令，附着过程完成，主站***与终端采集层连接成功；
步骤十、上述步骤完成后，终端采集层与主站***连接通信，终端采集层的NB-IoT通信模块采集用电表数据上传NB-IoT基站，NB-IoT基站通过远程无线网络与主站***通信，基于NB-IoT(窄带物联网)通信的用电信息采集***开始工作。
步骤十所述的终端采集层与主站***连接通信的通信方式有两种，其中通信方式一为主动连接通信方式为：NB-IoT通信模块待到了预设约定的时间就开始向主站***上传指定的数据，完成数据上传后接到主站***下发的响应后说明终端采集层主动上报成功，之后等待下一次执行主动上报；否则，如未接到响应，说明本次数据上传失败，要重新进行数据上传直到终端采集层接收到主站***的响应；通信方式二为被动连接方式，NB-IoT通信模块一直在等待主站***下发的召测指令，如接到主站***的召测指令，NB-IoT通信模块开始上传本次指定的数据，数据发出后如接到主站***确认响应说明本次数据上报成功，之后再次进入常态等待模式，如果未收到确认响应，则要重复发送本次数据，直到终端收到本次主站***的确认响应为止。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：通过上述设计功耗和成本上比3G/4G产品及电力无线专网产品更优；在稳定性上它比GPRS更好，从覆盖区域和海量接入又比470MHz微功率无线技术更强大，进一步优化电力行业数据传输的通信质量，提升电力及营销业务管理效率，降低日常运维成本做好技术储备。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明的工作流程图。
图中：1-主站***、2-远程无线网络、3-终端采集层。
具体实施方式
基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***，其特征在于，包括：主站***1、远程无线网络2及终端采集层3，
所述主站***1包括主站服务器及隔离网关，主站***1通过远程无线网络2与终端采集层3数据连接；
其中远程无线网络2包括运营商基站构建的核心网络；
其中终端采集层3包括NB-IoT基站、NB-IoT通信模块及用电表；
其中NB-IoT通信模块包括有处理器，且NB-IoT通信模块与电表连接， NB-IoT通信模块与NB-IoT基站数据连接。
基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***的工作方法，基于上述的基于 NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***，其特征在于，包括以下步骤：以下步骤顺次进行
步骤一、终端采集层3的NB-IoT通信模块上电复位，NB-IoT通信模块进行初始化，对NB-IoT通信模块携带的SIM卡初始化过程，读取SIM卡信息等操作；
步骤二、NB-IoT通信模块进行PLMN公共陆地移动通信网络选择，即根据 SIM信息选择运营商网络；
步骤三、经过步骤二运营商选择后，NB-IoT通信模块进行扫频操作，NB-IoT 通信模块根据预先设置的波段的先后顺序进行扫频，频率搜索如下：
SCS快搜/CCS慢搜：
SCS快搜，搜索从先验频点开始SCS快搜搜索；
先验频点即为上次NB-IoT通信模块成功通信的频点，频点数据保存在 NB-IoT通信模块的NV非易失性存储器的空间中；
如果没有先验频点，或者在先验频点未搜到远程无线网络2的基站，则SCS 快搜搜索会被拒绝，然后开启CCS慢搜进行搜索；
步骤四、NB-IoT通信模块频率搜索最终可以找到选定频点可用的小区信号，这里只是NB-IoT通信模块的UE***被动监听NB-IoT基站的广播信号；
步骤五、NB-IoT通信模块消息解读，即读取步骤四中获得的小区***消息，会根据小区的信号强度将小区按照先后顺序给列出来，然后根据S准则即小区选择准则来判断小区是否可用：
步骤六、NB-IoT通信模块搜索到可用的小区之后，就会对可用小区发起网络附着请求，并触发建立RRC链路即无线资源控制请求，如果现场网络环境不好的情况下会发现：发起网络attach req附着请求后，远程无线网络2一直没有回复，NB-IoT通信模块会重新发起建立链接请求，导致入网时间长；
步骤七、NB-IoT通信模块随机接入远程无线网络2下的运营商基站，随机接入失败后NB-IoT通信模块会重新再次发起接入；
步骤八、步骤七中NB-IoT通信模块随机接入成功后，收到远程无线网络(2) 下的运营商基站的RRC建链即建立无线资源控制链路回复命令，RRC无线资源控制建立成功；
步骤九、RRC无线资源控制建立成功后，收到基站附着请求接受回复命令，附着过程完成，主站***1与终端采集层3连接成功；
步骤十、上述步骤完成后，终端采集层3与主站***1连接通信，终端采集层3的NB-IoT通信模块采集用电表数据上传NB-IoT基站，NB-IoT基站通过远程无线网络2与主站***1通信，基于NB-IoT窄带物联网通信的用电信息采集***开始工作。
步骤十所述的终端采集层3与主站***1连接通信的通信方式有两种，其中通信方式一为主动连接通信方式为：NB-IoT通信模块待到了预设约定的时间就开始向主站***1上传指定的数据，完成数据上传后接到主站***1下发的响应后说明终端采集层3主动上报成功，之后等待下一次执行主动上报；否则，如未接到响应，说明本次数据上传失败，要重新进行数据上传直到终端采集层3 接收到主站***1的响应；通信方式二为被动连接方式，NB-IoT通信模块一直在等待主站***1下发的召测指令，如接到主站***1的召测指令，NB-IoT通信模块开始上传本次指定的数据，数据发出后如接到主站***1确认响应说明本次数据上报成功，之后再次进入常态等待模式，如果未收到确认响应，则要重复发送本次数据，直到终端收到本次主站***1的确认响应为止。
终端采集层3主动上报属于深度降低功耗模式，保证终端采集层3在约定的时间内用最低功耗满足数据上报主站***1的要求。
终端采集层3被动接收上报主要由主站***1来控制终端采集层3的工作状态，此种模式下***的主动权交由电力公司掌握的主站***1，有利于地区全局控制。
NB-IoT架构支持用户不经过运营商的NB-IoT平台，直接和自己的 TCPServer连接，因此NB-IoT通信模块的终端采集层3通过运营商远程无线网络2连接主站***1是没有问题的。
针对资产管理的问题，给主站***1下发采集点档案时候，NB-IoT通信模块只下发表档案，没有采集器档案，然后主站根据登入端口号判断是不是NB-IoT 通信模块，同时NB-IoT通信模块截取表地址后4字节来作为登入地址，主站***1根据登入地址和本地表档案建立对应关系，以便进行后续的抄表业务。这里需要主站***1的软件进行升级改造。
全面采集大型专变用户、中小型专变用户、三相一般工商业用户、单相一般工商业用户、居民用户和公用配变考核计量点等6类，以及分布式能源接入、充放电与储能接入计量点的电能信息等数据，构建完善的电能信息数据平台，是终端采集层3的重要基础和用户用电信息的重要来源。
用电表、NB-IoT模块、NB-IoT基站及主站***1之间有几种针对不同情形下的数据通信流程。主站发送数据通过运营商网络传送到NB基站，NB基站转发数据到NB-IoT模块，NB-IoT模块接收数据后再通过应用接口发送给处理器，处理器接收解析并判断数据校验正确后，按照数据标识对用电表进行读写操作，然后再将数据原路发送给主站***1。

Claims (3)

1.基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***，其特征在于，包括：主站***(1)、远程无线网络(2)及终端采集层(3)，
所述主站***(1)包括主站服务器及隔离网关，主站***(1)通过远程无线网络(2)与终端采集层(3)数据连接；
其中远程无线网络(2)包括运营商基站构建的核心网络；
其中终端采集层(3)包括NB-IoT基站、NB-IoT通信模块及用电表；
其中NB-IoT通信模块包括有处理器，且NB-IoT通信模块与电表连接，NB-IoT通信模块与NB-IoT基站数据连接。
2.基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***的工作方法，基于权利要求1的基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***，其特征在于，包括以下步骤：以下步骤顺次进行
步骤一、终端采集层(3)的NB-IoT通信模块上电复位，NB-IoT通信模块进行初始化，对NB-IoT通信模块携带的SIM卡初始化过程，读取SIM卡信息等操作；
步骤二、NB-IoT通信模块进行PLMN公共陆地移动通信网络选择，即根据SIM信息选择运营商网络；
步骤三、经过步骤二运营商选择后，NB-IoT通信模块进行扫频操作，NB-IoT通信模块根据预先设置的波段的先后顺序进行扫频，频率搜索如下：
SCS快搜/CCS慢搜：
SCS快搜，搜索从先验频点开始SCS快搜搜索；
先验频点即为上次NB-IoT通信模块成功通信的频点，频点数据保存在NB-IoT通信模块的NV非易失性存储器的空间中；
如果没有先验频点，或者在先验频点未搜到远程无线网络(2)的基站，则SCS快搜搜索会被拒绝，然后开启CCS慢搜进行搜索；
步骤四、NB-IoT通信模块频率搜索最终可以找到选定频点可用的小区信号，这里只是NB-IoT通信模块的UE***被动监听NB-IoT基站的广播信号；
步骤五、NB-IoT通信模块消息解读，即读取步骤四中获得的小区***消息，会根据小区的信号强度将小区按照先后顺序给列出来，然后根据S准则即小区选择准则来判断小区是否可用：
步骤六、NB-IoT通信模块搜索到可用的小区之后，就会对可用小区发起网络附着请求，并触发建立RRC链路即无线资源控制请求，如果现场网络环境不好的情况下会发现：发起网络attach req附着请求后，远程无线网络(2)一直没有回复，NB-IoT通信模块会重新发起建立链接请求，导致入网时间长；
步骤七、NB-IoT通信模块随机接入远程无线网络(2)下的运营商基站，随机接入失败后NB-IoT通信模块会重新再次发起接入；
步骤八、步骤七中NB-IoT通信模块随机接入成功后，收到远程无线网络(2)下的运营商基站的RRC建链即建立无线资源控制链路回复命令，RRC无线资源控制建立成功；
步骤九、RRC无线资源控制建立成功后，收到基站附着请求接受回复命令，附着过程完成，主站***(1)与终端采集层(3)连接成功；
步骤十、上述步骤完成后，终端采集层(3)与主站***(1)连接通信，终端采集层(3)的NB-IoT通信模块采集用电表数据上传NB-IoT基站，NB-IoT基站通过远程无线网络(2)与主站***(1)通信，基于NB-IoT窄带物联网通信的用电信息采集***开始工作。
3.根据权利要求2所述的基于NB-IoT窄带物联网的用电信息采集***的工作方法，其特征是：步骤十所述的终端采集层(3)与主站***(1)连接通信的通信方式有两种，其中通信方式一为主动连接通信方式为：NB-IoT通信模块待到了预设约定的时间就开始向主站***(1)上传指定的数据，完成数据上传后接到主站***(1)下发的响应后说明终端采集层(3)主动上报成功，之后等待下一次执行主动上报；否则，如未接到响应，说明本次数据上传失败，要重新进行数据上传直到终端采集层(3)接收到主站***(1)的响应；通信方式二为被动连接方式，NB-IoT通信模块一直在等待主站***(1)下发的召测指令，如接到主站***(1)的召测指令，NB-IoT通信模块开始上传本次指定的数据，数据发出后如接到主站***(1)确认响应说明本次数据上报成功，之后再次进入常态等待模式，如果未收到确认响应，则要重复发送本次数据，直到终端收到本次主站***(1)的确认响应为止。
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