基于嵌入式物联网卡在抄表终端研究

基于嵌入式物联网卡在抄表终端研究

左正琴1,石堃林2,袁莉3,黄蜓4,任海歌5

贵州电网有限责任公司铜仁供电局  贵州铜仁  554300

摘要：现如今物联网技术正在深度渗透社会各个行业，当下物联网在智能抄表领域的主要应用场景多表现在：水务抄表、燃气抄表、电力抄表、多表合一等方面。在电力抄表方面，物联网技术主要解决网络信号穿透能力弱、覆盖范围不能到达村镇一级偏远地区、数据传输安全性等问题。基于此，本文就主要研究嵌入式物联网卡在抄表终端的应用。

关键词：抄表终端；嵌入式物联网卡；研究

一、抄表系统中存在的问题分析

1、准确性及效率低。传统人工抄表面临入户难、强度大、周期长、手工结算方式效率低下、容易出现差错等问题。同时，多数不支持阶梯计价、无法获取表端数据等诸多方面问题；

2、运营成本居高不下。传统的人工抄表方式面临人工成本逐年递增的问题，能源供给企业无法有效控制运营成本；

3、存在产销差。上下游计量存在的误差、计量表具精度、供给环境以及抄表精确性等方面都会造成产销差；

4、取电困难。很多表具大多部署于供给侧末端，通产面临取电困难的问题。其中，外接电源会增加成本及故障风险点；而内置电池供电针对频发数据交互也面临频发更换电池等问题；

5、网络覆盖。智能表具通常安装在封闭环境中，例如楼道、室内、地下等，不仅安装环境复杂，而且网络信号往往难以得到保障。如果使用网络信号放大的方案，又会带来信号干扰等新问题。毕竟，没有有效的网络覆盖支撑，智能化设备便形同虚设；

6、海量接入。目前，水、电、气、暖类表具用量巨大，传统蜂窝网络单个基站连接数量有限，难以满足大量的智能仪表连接需求。此外，目前常见的小无线、专网等方式也面临频谱管理困难、信号干扰及带宽连接能力不足等问题；

7、安全性差。目前市场普遍使用的智能抄表设备仍面临诸多安全挑战，如IC卡的盗用和复制、公共网络传输的通信安全（数据盗用、网络攻击、数据篡改等）、能源企业私有传输协议的通用适配性及安全防护等级低等问题。

二、嵌入式物联网卡抄表终端

物联网中最核心的部分就是物体的通信能力，有了通信能力物体才能开口说话，才能进一步让信息得到传播并被广泛应用。而现阶段的机器设备通常自身是没有联网通信功能的，例如工业机器、车辆、家电、仪器仪表等。此时，运营商发行的物联网卡作为终端接入运营商网络的鉴权工具就充当着极其重要的角色。物联网卡的主要作用为：为使用物联网卡的设备提供了无线通信网络的安全访问和接入的能力，从而能让物联网应用层对设备进行监测、定位、计费等一系列操作。嵌入式物联网卡一般有两种封装形式，一种是SMD，即直接把物联网卡芯片焊接到物联网终端模组的PCB板上。还有一种封装工艺是SIP，是把物联网终端模块芯片和物联网卡芯片进行一体化封装，外观上就看不到物联网卡芯片，看起来只有一块芯片。这两种封装技术使得嵌入式物联网卡有了很高的稳定性。嵌入式SIM卡以最新的应用形式在移动通信系统中作为用户身份识别模块，要求更高的安全保障和远程配置管理等机制，已遍及物联网等领域。对于嵌入式SIM卡，稿件作者首先介绍了其发展背景，接着，讨论其应用场景，随后重点研究软硬件开发需求，最后分析市场/运营商支持的情况，并推测其未来市场发展情况。

三、抄表系统中嵌入式SIM卡的优势体现

1、体积小，能量大。采控工作人员将专业测试合格的SIM卡装入现场终端；设置好IP地址、通讯端口、APN和测量点；启动终端，就可以抄读它所匹配的电能表数据了。这样的工作是不是更加智能化了？而且随着费控功能的逐步覆盖，远程抄读的方式，一定程度的降低了工作人员的工作强度，让大家从繁重的抄表工作中解脱出来，还降低了人工抄表失误率，大幅提高了抄表的准确率，这样工作人员还可以将精力投入到其他的管理工作中了。

2、数量达，任务重。由于全市局的终端使用台数逐步增加，使用的SIM越来越多，经常发现终端设备里的SIM卡被窃取，产生高额费用造成欠费停机，导致终端掉线无法记录设备数据，影响终端在线率。现场故障处理的不确定性，更换SIM卡频繁且流动性大等问题，给管理带来了很大的考验。

3、处理问题灵活机动。嵌入式物联网卡的灵活性、数据安全性更高，是一种专门用来支持各种硬件设备和嵌入式系统联网的流量卡，这种卡一般没有语音通话和短信服务功能，可以针对企业用户设计资费，更适合电力抄表和数据传输工作，同时，终端可以迅速的采集当前设备数据，进一步轻松的统计和分析。

四、基于嵌入式物联网卡在抄表终端研究

1、技术内容：研究一种带蓝牙功能的抄表模块，包括电源电路、蓝牙功能电路等，其特征在于，具有蓝牙功能电路。主设备的蓝牙功能扫描到范围内从设备发出的广播时，两者进行密码验证，验证一致，进行连接，多个电表连接终端，形成以终端为中心的蓝牙网络，终端通过蓝牙通道发送抄表报文帧，蓝牙模块收到抄表报文帧，通过UART（RS232）转送给电能表，电能表可以将测得的计量数据通过协议报文返回给蓝牙模块，蓝牙模块收到该数据后转发，以便于抄表设备接收，完成整个抄表过程。

2、技术优点：电表地址作为从设备的MAC地址，方便主设备识别连接，辨识度强，密码判断，安全性可靠。利用蓝牙技术将电能计量数据进行无线传输，以便于抄表人员使用专用设备进行数据接收，保障抄表人员安全，同时避免因业务水平、周边环境影响导致的抄表错误，既保证了抄表的准确性，也提高了抄表工作效率，减少了经济成本。通过蓝牙技术加密配对连接,该模块具有适用面广、移植性强、数据安全高等特性，任何一台具有带蓝牙的抄表设备(包括手机)，输入配对密码，均能与其配对相连，发送协议一致的抄表报文，即可完成抄表。

3、附图说明

图1蓝牙模块数据交互示意图；图2是本发明的电路原理图。

4、具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本发明在实际应用中，模块1终端相连接，模块2与电表1相连，模块3与电表2相连，依此类推模块N-1与电表N相连；模块连接电表后，抄读其地址作为MAC地址，并以此地址发送连接广播；主站扫描到该广播，验证密码，密码与终端预设定的密码一致，则进行连接，否则进行断开，同理电表2也进行同样操作；最终形成1终端对多电表的星型网络结构，最终在数据交互阶段实现抄表。

如图2所示，本发明的蓝牙功能电路主要由蓝牙芯片SCR102及外围辅助电路构成，SCR102芯片是一款可编程MCU，需要对其进行程序烧写，5为程序烧写串口，为了对芯片程序运行状况进行实时监控，设计了信息打印口4，通过RS232串口3与电能表端串口相连接；另外2为电源电压转换电路，经电压转换芯片U2将电能表端接入的12V电压转换为3.3V电压，作为各电子元件的直流电源。

SCR102通过蓝牙与抄表设备配对连接后，其接收到抄表数据帧后，蓝牙模块通过RTX、TXD引脚将数据转发给电能表，电能表接收到数据后，回复带电能数值的数据帧，蓝牙模块收到该帧后，通过蓝牙再转发给抄表设备，从而完成整个抄表过程。

无线蓝牙抄表模块，具有与抄表设备和电能表的数据交互能力，依靠自身的蓝牙芯片，可实现无线配对组网、短距离无线抄表，对电力行业抄表业务都具有一定的意义。

图1蓝牙模块数据交互示意图

图2蓝牙模块电路原理图

结束语

综上所述，传统的电力抄表具有数量大、分布广、误差大等缺点，有些电表安装地点比较偏远，有些则需要带电作业，危险性较大。且抄表作业需要花费大量的人力物力，除了造成资源的严重浪费外，在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足。物联网卡结合智能电表可以实现远程抄表、监测，提升利用效率，减少能源损耗等，近年来得到了市场的追捧，解决了布点分散难以管理的问题。

参考文献

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