基于NB-IoT技术的远程采集终端设计与实现

发布时间：2020-08-18 22:54

【摘要】：随着“智慧城市”的快速发展,物联网应用逐步深入到了生活各个方面,远程数据采集系统的研究与应用已经成为物联网领域研究的热点。然而现有无线采集终端功耗大的特点极大的制约了物联网进一步的广泛应用,因此,设计一种功耗低、体积小的远程数据采集终端具有一定的现实意义。本文基于NB-IoT通信网络,通过研究远程采集终端不同状态下的功耗和分析功耗影响因素,设计出一种低功耗远程采集终端系统,并应用于水务行业,进一步验证采集终端的实用价值。在终端硬件设计上,首先详细分析现有可用芯片特性,选择STM8L052C6作为系统中央处理器,选择SIM7020C作为通信模块,然后设计并实现微功耗控制器模块、通讯模块、接口电路、电源模块等电路,保证硬件的低功耗。在终端软件设计上,设计了数据采集软件并以32轮迭代TEA算法进行加密,设计了上下行通信软件以JSON数据格式将数据封装到CoAP协议的Payload部分进行数据传输,设计了传感器模块、通信模块等模块的驱动程序,设计了低功耗管理软件以进一步降低软硬件总体功耗。终端测试结果表明,在3.7V9.8Ah电池容量、采集15分钟/次、传输6小时/次的理想状态条件下,采集终端具有可工作6.8年的低功耗特性,而且该终端具有类似普通IC卡大小的体积小特性。在水务应用测试方面,终端可以与中转服务器进行数据交互,服务器能成功解析、存储、显示数据,表明设计的基于NB-IoT的低功耗远程采集终端具有一定实用价值。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP311.52;TN929.5;TP391.44
【图文】：

基于 NB-IoT 技术的低功耗远程采集终端实物图如图 3.2 所示。图 3.2 远程采集终端实物图3.2 主控制器子系统设计主控制器系统是采集终端的大脑，主控模块的合理设计是采集终端硬件设计的核心，该模块性能直接决定终端性能。本节首先选取合适的低功耗微处理器作为 MCU，其次根据微处理器特性进行周围电路的设计。3.2.1 主控制器选型微处理器是终端系统的核心单元。随着芯片技术发展，目前市场主流的低功耗微控制器厂家有美国 TI 的 MSP430 系列和意法半导体的 STM32、STM8 系列。MSP430 采用冯 诺依曼架构，具有多个模块，外围配有 USB 口、乘法器等接口模块，MSP430 系列芯片采用标准的 JTAG 调试接口，具有开发简单、调试方便等特点。意法半导体公司的单片机主要有两大系列：32 位单片机和 8 位单片机。STM 系列的控制器采用哈弗结构，相对于德州仪器推出的 OTP 型廉价 MSP430 芯片

西安科技大学全日制工程硕士学位论文5 NB-IoT 远程采集终端系统验证5.1 测试平台完成终端系统的软硬件设计后，需要测试低功耗远程采集终端的系统性能。测试所需的软件开发环境有 Keil uVision5、Nodejs；硬件设计平台为 Altium Designer，硬件测试平台如图 5.1 所示。

图 5.3 终端大小比较由图 5.3 比较可以看出，设计的基于 NB-IoT 技术的远程采集终端体积与普通 IC小相似，满足前文对终端小体积的需求。采集终端需选择信号较强的网络进行网络附着。断开 MCU 与 NB-IoT 模块直接的，采用 QCOM v1.4 串口工具，通过 AT 指令进行通信模块入网及网络信号的测试，测试结果如图 5.4 与图 5.5 所示。

【参考文献】

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本文编号：2796825