针对工业部门要求新增行业卡必须使用13位物联网卡，来更新完善天然气销售系统，提高数据的安全性，需要对现有的天然气设备进行硬件升级。采用模块化的设计方法，进行基于物联网技术的天然气控制器系统设计，完成GPRS模块、ESAM模块、蓝牙模块、读写IC卡模块等系统软件的开发，实现控制器与燃气中心进行数据通讯、流量检测、液晶显示、阀门关断等功能，以满足现有的天然气销售行业的硬件设备需求。
文 | 陈坤
目前天然气远传销售行业使用的是11位的普通物联网，其网络和普通手机用户使用的同一网络，存在信息诈骗和信息被窃取的风险，无法保证行业数据的安全。为提高行业数据的安全性，工业部要求工业物联网要基于NB-IOT专网网络进行数据传输。天然气远销行业天然气设备由集中器、路由器、控制器和基表组成，由于用于工商业最终用户用气的计量基表或称流量计可能距离网络基站比较远，需要使用带有GPRS模块和RF无线射频模块的集中器作为中继器，其中GPRS模块和天然气销售中心进行远程通讯,接收销售中心发布的购气、调价等指令或上传最终用户的有关消费数据和故障信息。RF无线射频模块和早期设计的控制器连接，控制器控制流量计的开关阀。本设计是将集中器的功能设计在控制器上，从而简化天气销售网络架构，减少网络的传输，提高数据安全性。
1 系统总体结构设计
NB-IOT是本控制器设计的核心部分，采用目前主流的GPRS、蓝牙、RF 无线射频以及嵌入式安全模块 ESAM(Embed⁃ded secure access model)作为认证数据信息存储和传递的媒介，具有很高的安全性和抗攻击性，控制器总体结构包括硬件和软件两个部分，硬件部分主要包括单片机MSP430F249，GPRS模块、蓝牙模块、ESAM模块等；软件部分主要包括GPRS通讯程序、蓝牙模块程序、IC卡读写程序、ESAM安全认证程序等。通过软件和硬件联合调试，最终基于GPRS实现控制器和天然气数据中心之间的数据通讯、IC 卡读写、ESAM 安全认证以及自动抄表等功能。整个系统结构如图1所示。
单片机MSP430F249是控制器的控制核心。控制器通过GPRS模块上报运行状态等信息和接收天然气中心发送的天然气售价等数据。ESAM模块负责完成系统安全认证和部分数据存储。蓝牙模块作为读写IC卡及控制器系统程序升级的通道、RF模块作为无线抄表、LCD为液晶显示模块，主要用来显示累计气量、开关阀、金额、故障，低电或掉电等信息。电源管理模块是用来实时监测系统的电源电压，只要电源电压低于单片机正常工作电压时，单片机会控制蜂鸣器报警从而提醒用户更换电源。
2系统模块设计及工作流程
系统软件模块设计包括GPRS 模块设计、读写IC卡、蓝牙模块设计、LCD 液晶显示模块设计、电源电压检测模块设计、ESAM模块设计等。
2.1单片机的选择
目前基于MCS-51系列的8位单片机技术比较完善，应用范围广泛，但是由于其功耗比较大，内部资源比较少，所以该系列单片机不适合用作以电池为能量电源的智能仪表主控芯片。由于本次设计是用作低功耗的天然气控制器的设计，因此选择的单片机是美国德州仪器（Tesas Instruments）公司推出的MSP430系列超低功耗的16位处理器MSP430F249。这种单片机具有超低功耗、功能强大的处理能力、丰富的片上外围模块和方便的高效的开发调试环境。
2.2 GPRS模块
本次设计的GPRS模块采用SIMCom公司最新产生的SIM800C模块。SIM800C是一款具有四频GSM/GPRS模块，采用城堡孔封装，其性能稳定，外观小巧，性价比高，主要工作在850/900/1800/1900MHZ频率，满足GSM2/2+标准，支持GSM/GPRS与AT指令控制，通过AT指令进行GSM/GPRS 无线通讯，支持双SIM卡，可低功耗实现SMS和数据信息传输，能满足用户的多种需求。SIM800C尺寸为17.6mm X 15.7mm X 2.3mm，能适用于本设计的紧凑型产品设计。SIM800C模块是与天然气数据中心远传通讯，接收销售中心发布的购气、调价等指令或上 传 最 终 用 户 的 有 关 消 费 数 据 和 故 障 信 息 。单 片 机 与SIM800C连接、SIM卡连接如图2。
2.3 ESAM模块
本次设计的系统运行安全性和稳定性是至关重要的，因此，使用ESAM模块来完成安全认证和数据存储。ESAM嵌入式安全控制模块是以专用高性能安全微处理器为硬件平台，一颗具有独立操作系统（Card Operation System，简称COS）的安全芯片。ESAM是一个8引脚集成电路芯片，内部结构与CPU智能卡相同。ESAM可以嵌入到任何对安全性要求比较高的智能设备中，完成数据的加密和解密、文件和密钥的安全存储以及应用终端的认证等。
ESAM 模块需要核心控制器单片机提供控制信号提供电源、时钟和复位信号。ESAM模块与单片机的连接如图3所示。
2.4 蓝牙模块
蓝牙(Bluetooth)就是一种工作在2.4GHZ (即ISM)频段的一种无线短波通信技术, 是一种大容量短距离无线数字通信技术标准。蓝牙是一种异步全双工的通信方式, 其核心技术就是跳频技术。蓝牙的通信必须要按照蓝牙通信协议进行, 蓝牙协议规范允许开发人员开发基于可互操作的无线模块和数据通信协议的交互式服务和应用。本次设计使用蓝牙是模块BTHC05模块，这是一款高性能的蓝牙串口模块，其具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式。本次设计中使用的是自动连接工作模式，自动根据事先设定的方式连接进行数据传输。改模块主要用于控制器的软件升级通道。
3 主程序流程设计
本次设计中，控制器的软件系统同样采用模块化设计模式，由各个模块的程序来完成不同的功能。不同的模块必须明确其的程序入口和调用参数，并确定模块之间的相互调用关系，以供各个模块之间的调用。软件部分主要包括ESAM嵌入式安全模块程序、GPRS模块通讯程序、蓝牙模块程序等，系统的主程序流程图如4所示。
单片机上电后首先对系统进行初始化，初始化的过程主要完成特定的寄存器的初始值设置、各模块的时钟设置、液晶显示进行设置和对死表的检查。之后进入主循环，首先读取ES⁃AM模块中的模块的版本保护密码，判断是否正常，然后判断系统是否发生故障、是否插卡，接着判断电源电压是否在系统正常电压范围内，若一切正常，则开始通过GPRS连接天然气后台中心，连接流量计根据是否欠费来驱动开关阀。
4 结束语
基于物联网技术的天然气控制器的系统设计，采用模块化的设计方法，完成了系统硬件的设计，以及系统软件的开发。实现了具有 GPRS 模块、蓝牙模块、LCD 液晶显示模块、ESAM模块等功能的天然气控制器。
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