RS485与NB-IoT网络双向数据透传DTU 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计

张显才

（空军预警学院，湖北 武汉 430019）

0 引 言

按照国家电网公司统计，10 kV及以上供电电压等级的用户侧变配电所数量众多，总数在200万户以上。此类用户侧变配电所内通常包含进线柜、出线柜、无功功率补偿柜等电力控制柜，利用综合保护器等设备实时监测断路器的状态、三相电压、三相电流、有功电能、无功电能、功率因数等参数。这些数据对实时监测、统计这些设备的工作状态起着至关重要的作用。如果将片区内所有变配电所的测量数据进行大数据综合统计 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，可以对片区内用电情况进行精准的统计和预测，并对故障进行提前预警。但现有综合保护器或者DTU通常采用RS 485通信，只能通过有线传输方式，点对点地将信息传输至信息处理主机，无法实现片区内所有测量数据的融合和汇总，无法组网进行大数据分析。

2019年国家电网公司提出了建设范在电力物联网，加快推进“三型两网”战略落地实施。目标是到2021年，初步建设范在电力物联网，基本实现业务协同与数据贯通；到2024年，建成范在电力物联网，全面实现业务协同、数据贯通和统一物联管理，公司级智能能源综合服务平台具备强大功能，全面形成共建共治和共享的能源互联网生态圈。如今，物联网技术迅猛发展，新一代的窄带物联网（NB-IoT）具有强链接、高覆盖、低功耗和低成本的优点，可方便实现能源管理进入万物互联时代。在这样的背景及要求下，研制一种RS 485与NB-IoT网络双向数据传输DTU电路，对原有电力参数测量设备进行升级，使这些设备可以快速接入物联网，实现数据贯通，具有深远的意义。

1 电路的组成和工作原理

本设计电路主要由稳压电路、NB-IoT模组、MCU以及RS 485通信接口电路等部分组成，如图1所示。

图1 电路的组成

数据链路工作过程如图2所示。DTU接收RS 485通信链路的数据帧，在MCU内按照NB-IoT模组数据格式要求进行数据封装，通过NB-IoT模组发往NB-IoT基站。基站接收到数据后，按照数据协议中的目的服务器地址，将数据转发至网络云服务器，完成一次数据上报过程。数据的下发过程与此正好相反。首先是网络服务器将数据下发至NB-IoT基站，基站根据数据协议中的目标地址，将数据转发至相应NB-IoT模组，并使模组产生读请求信号，通知电路中的MCU读取数据。MCU将数据读取并解析后，通过RS 485接口电路将数据发出，完成一次数据下发过程。收发过程中，数据的封装和解析等过程均由MCU和NB-IoT基站完成，对于用户而言是全透明的。

图2 电路工作过程

2 电路设计

在电路设计中，MCU对NB-IoT模组之间的控制及数据传输是整个设计的核心。MCU选用ST公司基于Cortex-M3内核的单片机STM32F103C8T6。NB-IoT模组选用上海移远公司的BC26模组。

2.1 BC26模组介绍

BC26是一款高性能、低功耗、支持多频段的NB-IoT模块。采用LCC封装结构，典型工作电压为3.3 V，峰值工作电流为0.5 A，支持B1、B3、B5、B8等工作频段，内置UDP/TCP/CoAP/LwM2M/MQTT/PPP/SNTP协议，可以连接中国移动OneNET、中国电信IoT、华为OceanConnect和私有云等物联网平台。

BC26模组硬件上除了供电电源接口外，还包含1个USIM卡接口、3个UART接口、1个SPI接口、1个用于外部中断唤醒的PSM_EINT接口、1个10位的ADC接口、1个天线接口，以及复位、开机、联网指示接口。在其OpenCPU版本中，还包含IC接口、IS接口以及可配置的GPIO接口。3个UART接口分别为主UART、调试UART、辅助UART接口。主UART和辅助UART都可以用于与MCU间的通信。除此之外，主UART还可以用于BC26固件升级。调试UART可以输出调试信息，用于软件调试。本次设计采用主UART与MCU进行数据传输。由于主UART的电平为1.8 V，因此与MCU进行通信时，必须外加电平转换电路。

2.2 电源电路设计

采用TI公司的DC/DC电源芯片TPS54202实现。该器件是一款输入电压范围为4.5～28 V的2 A同步降压转换器，包含两个集成式开关场效应管，具有内部回路补偿和内部软启动功能。TPS54202具有较高的功率密度、较小的封装，仅需极少的外部元件，即可实现稳定的电压输出，非常适合于对体积有要求的电路的设计。电源电路如图3所示。在该电路中，电容和为输入滤波电容；和为反馈电阻，为TPS54202提供电压基准，改变此电阻的比值即可改变输出电压。当取值为100 kΩ、取值为22.1 kΩ时，电路输出电压为3.3 V。电容、、为输出滤波电容，同时也有储能作用，提高电源输出的稳定性。

图3 电源电路

2.3 通信接口设计

STM32F103C8T6总计有三个串行接口。在设计中利用串口1实现RS 485数据的收发，利用串口2与BC26的主UART之间进行数据传输。BC26的主UART为1.8 V的电平 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，而MCU的串口为3.3 V的电平标准。因此在设计时，不能直接连接，须通过电平转换芯片。设计中选用TI公司的NTB0102DP实现。

RS 485数据的收发采用SP3485实现，其原理如图4所示。经过此电路，可以实现差分RS 485数据与单端LVTTL电平的UART数据之间的相互转换。电路设计中，增加了热敏电阻RV1和TVS管保证通信的安全可靠。

图4 RS 485通信电路

3 程序设计

软件程序流程如图5所示。程序开始时首先进行系统初始化操作：一方面是对MCU内部资源进行初始化，主要是初始化STM32的UART接口的工作参数和工作模式；另一方面是BC26模组的初始化，主要是查询模块信息、获取网络信息、设置工作频段、打开射频开关、查询模组注网状态等。当模组注网成功后，设置模组工作的Socket参数，连接服务器，向服务器发送注册包；然后，程序处于轮询状态。当MCU串口接收缓冲区非空时， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示已收到一帧RS 485数据，MCU对接收的数据重新封装，发往模组，最终上传至服务器。如果收到模组下发的读数据请求，MCU从模组缓冲区读取数据，并通过UART口发送，最终形成RS 485数据。如果一段时间无数据上传，模组会自动睡眠，与服务器断开连接。因此设定一定的时间间隔，定时发送心跳包数据，使模组与服务器保持实时连接。

图5 软件流程

3.1 STM32 UART接口初始化

STM32单片机串口具有DMA接收功能，在串口初始化时指定DMA接收的源地址和目的地址，设定源和目的地址的增长方式。每接收到一个完整的字节后，DMA控制器会自动将接收数据存入目的地址指向的缓冲区，无须软件干预。

STM32单片机的串口还有空闲线（IDLE）中断模式。在该模式下，当串口的接收引脚存在超过2个字节时间的空闲时，单片机会产生空闲中断，表明一帧数据已经传输完成。该中断与DMA数据接收功能配合使用，特别适合于不定长数据帧的接收。

3.2 BC26模组注网

BC26模组的所有操作均采用AT指令实现，其初始化流程如图6所示。在初始化过程中，每次发送AT指令后，均需验证指令的返回是否正确。由于模组的IMEI码具有唯一性，注网过程中将读取的IMEI码作为注册包和心跳包的数据。当查询到模块注网成功，并成功读取PDP地址后，即可采用不同的通信协议建立与远程服务器间的通信连接。

图6 BC26模组注网流程

3.3 与服务器间的数据通信

测试中服务器为私有云服务器，模组与服务器间采用TCP协议进行通信。模组执行“AT+QIOPEN”指令连接远程云服务器。执行“AT+QISEND”指令向服务器上传数据。当服务器有下发数据时，模组会输出“+QIURC：‘recv’，0”字符串，通知MCU进行数据读取。

4 系统测试

设计的DTU电路实物如图7所示。电路的测试方法如图8所示。测试包含2台电脑，左侧电脑外接USB转RS 485数据线，运行串口调试助手，模拟RS 485数据的收发；右侧电脑远程登录到服务器，服务器上运行网络调试助手，模拟服务器数据的收发。测试结果如图9所示。可见，该电路工作正常，实现了数据的透明传输。

图7 DTU电路实物

图8 电路测试方法

图9 测试结果

5 结 语

本文详细分析了RS 485与NB-IoT网络双向数据透传电路的工作原理、电路设计要点、程序设计流程，并对电路进行了测试。测试结果表明，该电路能够实现数据透传功能以及传统RS 485通信设备数据上云的功能。现在此电路已成功用于武汉某开闭所综合保护器的升级改造，实现了本地测量数据网络化以及数据的互联互通，便于后台对所有设备进行统一的管理和监控。

-全文完-