基于NB-IoT的透传DTU设计

2021年7月

安阳工学院学报Joumal

o£

Anyang

Institute

of

TechnologyJuly,

2021第

20

卷第

4

期(总第

112

期)

Vol.20

No.4(2)D01:10.19329/.l673-2928.2021.04.010基于NB-IoT的透传DTU设计郭丽霞，吴新峰(安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南安阳455000)摘要:在很多行业中，如供热、供水、气象、水文水利、地质监测，都需要利用DTUQata

Transfer

unit)把终端传感器数

据通过无线网络传输到服务端，通过服务器远程控制终端模块的动作及状态。DTU作为数据传输桥梁，作用至关重要。

本设计实现的DTU采用NB-IoT(Narrow

Band

Internet

of

Things)无线传输技术;具有体积小、功耗低、适应恶劣环境、能快

速接入网络等特点；它还能够实现数据的无损透传，并且支持三大运营商的NB-IoT网络。关键词:DTU;NB-IoT;无损透传中图分类号:TN

702

0引言文献标志码:A文章编号：1673-2928(2021

)04-0038-05DTU的主要功能是把远端设备的数据通过无

面临的问题铁所以本设计采用NB-IoT无线传输

技术，可获得得更多的优势。2总体设计优点本设计主要具有两个突出优点。一是低功

线的方式传送回后台服务器，并且服务器能够通过

DTU远程操作终端模块。通常一套完整的无线数

据传输系统包括:终端数据采集单元、DTU数据传

输单元、移动网络、后台服务器数据处理中心等，

DTU是整个数据传输的通道,实现数据的双向传

输,DTU的性能影响着整个系统的可靠性。1低速率窄带物联网NB-IoT通信技术现状NB-IoT

(Narrow

Band

Internet

of

Things)以蜂

窝网络为基本结构,实现了低速窄带宽环境下物

联网的有效构建，具有长距离、低速率、低能耗以

耗。本设计无线通信采用NB-IoT技术,NB-IoT又

称为低功耗广域网,此技术可直接部署于GSM网

络、UMTS网络或LTE网络,支持低功耗设备在广

域网的蜂窝数据连接,具有超强覆盖、超低功耗、

超低成本、超大连接等特点。此外,该设计选用低

功耗处理器,程序中对低功耗优化处理，采用不同

的低功耗策略,平时整机工作在低功耗模式下,静

态整体功耗＜20

uAo二是低成本,NB-IoT资费很

低，降低整体系统运营成本。3硬件设计及服务多样化的特点。同时也具有覆盖强、成本

低、资费低的特性。现有的技术条件下，在同样的

带宽频段下,NB-IoT网络增益超过20

dB,覆盖面

积扩大100倍，这种覆盖能力使得物联网的通信

能力得到大大增强，实用性切实得到保障。目前

NB-IoT

—个扇区最多可以支持10万用户端的同

本系统的整体结构框图如图1所示，包括数据

处理单元、无线数据传输单元、数据接口以及程序

时在线连接,并且即便是在满负荷的情况下,NB-

IoT通信技术仍然保持一个较低的延时率,提升了

用户的满意度叫目前市场上同类产品采用的无线传输方式有

GPRS技术和LoRa技术。GPRS最大不足是通信链

下载JTAG接口。它采用MICROCHIP公司的

PIC16LF15324处理器作为处理单元,采用深圳有

方科技的NB-LOT无线传输模块N21进行无线数

据传输,采用485接口作为数据接口，内置15KV

ESD保护,从而可方便应用在多种行业。3.1主要芯片介绍3.1.1

PIC16LF15324

的特点路资费贵的问题，同时功耗远远大于NB-IoT,在由

锂电供电的场合,采用低功耗传输才能延长仪表

PIC16LF15324单片机具有模拟外设、独立于

内核的外设和通信外设，并结合了超低功耗(ex­treme

Low-Power,

XLP)技术，适用于一系列广泛的

的使用时间。和LoRa相比,NB-IoT是三大运营商

布局和服务的网络,通信质量能够保证，因为LoRa

运行在非授权频段,所受的干扰和通信安全是其通用和低功耗应用。具有两个串口，11通道带电压

基准10位ADC,3个定时器,低功耗欠压复位，可编收稿日期:2020-06-15基金项目：基于LoRa技术的物联网智能水表采集系统设计(YD2018009)作者简介:郭丽霞(1979-),女，河北临漳人，硕士，讲师，主要研究方向为通信技术、嵌入式系统。

第四期郭丽霞，吴新峰:基于NB-IoT的透传DTU设计39USIM接口电路电源部分

图1系统整体结构框图程欠压复位,具有在线式串行编程（ICSP）等功能。

3.1.2

N21

介绍N21是一款超小封装NB-IoT工业级无线通

讯模块。N21模块特点是超低功耗，广域覆盖，外

围电路简单，客户易于开发,适合用于低速率低功

可以用在亚洲、欧洲、澳大利亚和全球其他有NB

网络部署的地方。3.2电源电路本设计的电源采用两级分压设计。_级分压

是使输入的宽电压范围直流12

V至36 V转换为直

流5

V,电路如图2所示,采用上海芯龙的DC-DC芯

片XL7035作为电压转化芯片。二级分压是使直流

5

V转换为直流3

V,电路如图3所示，从而供单片机

和采N21使用，采用MIC29302WU电源芯片。耗的物联网通讯设备。支持TCP/IP/UDP,IoT协

议。N21集成了工业UART接口，支持多种网络协

议，如

COAP/UDP/TCP/IP/MQTTo

采用

Pin

2

Pin设

计,兼容Neoway

Nl

1系列2G模块,支持主流频段,

图2—级分压电源电路MIC29302WUBAT3VC733pF图3二级分压电源电路电源部分注意事项：电源的性能，比如负载能力、纹波的大小等,

都会直接影响模块的性能和稳定性。另外模块在

弱信号情况下,可能会以最大功率发射，此时瞬时

对模块的损坏，推荐型号：SMF5.0AG（V

rwm

=

5V&Pppm

=200

W）o

C5可选择大容量的铝电解

峰值电流可达1

A左右，会造成模块电压跌落。

如果电压跌落到3.3

V以下，可能会造成模块重

启等异常。D1使用TVS管，可以防止电源浪涌

电容（470洛），C2可选择陶瓷电容，两者可以提

高电源的瞬间大电流续流能力，平滑供电电源的

电压波动。此外在靠近模块的电源管脚还要增

加、100pF和33pF的滤波电容，降低高频

干扰。

403.3无线传输控制电路安阳工学院学报3.4数据处理单元电路2021

年N21的外围电路通过串口与单片机进行通信,

从而进行配置和数据传输;单片机通过10

口高低

电平来控制N21的开关机；天线接口采用标准

SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。无线传输控

单片机的外围电路通过PPS定位RC0、RC2作

为串口

1，定位到RC4、RC3为串口

2与N21进行数

据传输;连接SP3485进行485数据传输;同时连接

JTAG接口进行程序下载。数据处理单元电路如图

5所示。天线制电路图如图4所示。图4无线传输控制电路2GNDOPEN/CLOSE

NB-LOTEN

NB-LOTMCLR

-

<

EN

LOT|

L)SARt2

RX

USART2_TX丄•

VDD〈TTTTVSS

•

RA5ICSPDAT

•

RA4ICSPCLK•

MCLRRA2•

RC5RCO•

RC4RC1RC2• RC3PIC16LF1532414

IT

IT

IT■j||'GND；ICSPDAT

ICSPCLKj

ON

OFF

’USART1

RXUSART1

CTLUSARTl

TX」

27图5数据处理单元电路3.5通信485接口电路3.6

USIM接口电路USIM接口电路采用标准的抽屉式用户卡接

通信485接口电路采用TVS进行保护,通过单

片机的RC1高低电平控制接收和发送。其电路如

图6所示。口，支持

1.8V/3V

SIM/UIM

卡，内置

15KV

ESD

保

护。其电路如图7所示。图6通信485接口电路R10------------------------------------------------SIMVCCSIMRS1SIMCLfyC21VCCRSTCLKSIMGNDVPPDATA—1卜"5-|^^C20[33pFSIMIO—33pFC2233pF33pF图7USIM接口电路

第四期3.7布线设计要点郭丽霞，吴新峰:基于NB-IoT的透传DTU设计41或者泪滴，以防止反射。在NB-IoT模块的工作过程中,存在瞬间大电

流的情况，容易导致电压波动产生开关噪声,这种

噪声会影响模块以外的电路。为了规避这种噪

针对N21硬件设计有许多需注意的事项，本设

计在布线时要格外注意。电源部分在PCB中走线要远离射频部分，走线

宽度要保证1

A的电流安全通过而且不能有明显的

回路压降。主电源走线宽度要求大约为2

mm左

右。电源部分的地平面尽量完整，且多打地孔。PCB的走线方式为:射频线宽度为0.8-1.0

mm;射频线与铺地的间距为1~0.8

mm;射频线需

声，需要将模块的电源和其它电路的电源做隔离

处理。隔离措施采用LC滤波电路中，电感L使

用10

jjlH,额定电流大1.2

A的线绕功率电感。4软件设计要完整包地且要多打地孔（很重要）；射频线对应

的背面层需要挖地掏空，射频线走线尽量短（不超

过15

mm为宜），尽量圆滑，无突起,比如使用弧线

软件开发以MPLAB

X

IDE

v4.15为开发平台，

图形化配置单片机外设，自动产生配置代码，采用

C语言编写。软件设计的主要工作是通过AT指令

控制N21模块,控制流程如图8所示o图8配置N21流程图

42安阳工学院学报2021

年建立ppp连接的主要代码如下:

bit

Create_PPP(void)int

timeout

=

0;char

*temp_PPP;char

*T_pointer

=

“AT+XIIC二

1”;

dotimeout++;Delay_ms(30);}

while(timeout<50);if(

timeout

>=

50){return

FALSE;}return

TRUE;}Send_ATC

ommand( T_pointer,strlen(T_pointer));TXREG

二

0X0D；5测试//SendEnterwhile(!);TXREG

二

OXOA;服务器发送几串任意数据，数据通过NB-IoT

无线传输到DTU,电脑通过USB转485模块连接本

DTU设备，数据能够在串口助手接收显示。6结束语//SendEnterwhile(!);

while(receive_com

1

_ok

==

FALSE

);

display_com2_data_R2();

temp_PPP

=

gReceiveBuffer_l;if(strstr((char*)temp_PPP,,,OKn)

>(char*)0)Delay_ms(30);

随着三大运营商NB-IoT网络的逐渐成熟，基

于NB-IoT的应用会越来越多。DTU已经广泛应用

于电力、环保、LED信息发布幽流、水文、气象等行

业领域。通过基于NB-IoT的透传DTU设计，简化

了工程项目中的设计难度;促进了例如无线数据

采集、远程控制等各种物联网方面的使用。在互

联网日益发展的今天，它为各行业之间的信息交

换以及产业融合升级提供了帮助。参考文献：[1]

黄文超.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发

展趋势[J].电子测试,2017(6):58+;}

else[2]

赵小飞.低功耗广域网络产业现状及国内市场前景[J].

信息通信技术,2017(1)：

_ms(30);Design

of

DTU

Based

on

NB-IoTGUO

LIxia,WU

Xinfeng(Anyang

Institute

of

Technology,

Anyang

455000

,China)Abstract

：

In

many

industries,

such

as

heat

supply,

water

supply,

meteorology,

hydrology

and

water

conservancy,

and

geological

monitoring,

DTU

(Data

Transfer

Unit)

is

needed

to

transmit

terminal

sensor

Data

to

the

service

end

through

wireless

network

and

remotely

control

the

action

and

state

of

terminal

modules

through

the

server.

DTU

plays

an

important

role

as

a

data

transmission

bridge

.The

DTU

realized

in this

design

adopts

NB-IoT

(Nar­row

Band

Internet

of Things)

wireless

transmission

technology;It

has

the

characteristics

of

small

size,

low

power

consumption,

adaptable

to

harsh

environment

and

fast

access

to

can

also

achieve

data

lossless

trans­mission,

support

the

three operators'

NB-IoT

words:

DTU;

NB

一

IoT;

nondestructive

passthrough(责任编辑:郝安林)