胡勇虎 于洪濤 浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司杭州分公司

淺析NB-IoT技術(shù)在智能水表領(lǐng)域的應(yīng)用

胡勇虎 于洪濤 浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司杭州分公司

由于傳統(tǒng)智能水表抄表存在實(shí)時(shí)監(jiān)控難、施工復(fù)雜、成本高、通信穩(wěn)定性差等諸多問(wèn)題，隨著NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，將能從根本上改變這一局面?；贜B-IoT技術(shù)具備廣覆蓋、高可靠性、高安全性、低成本、低功耗等特點(diǎn)，在智能水表領(lǐng)域不僅可以降低抄表成本，而且可以實(shí)現(xiàn)水表管理的智能化和大數(shù)據(jù)化管理，具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

NB-IoT 水表抄表 物聯(lián)網(wǎng) 智能

在城市化建設(shè)的飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，住宅的智能化和高層化也不斷改變著人們的生活方式和習(xí)慣，供水企業(yè)為了解決日益突出的入戶抄表難、抄表工作量大的問(wèn)題，也在不斷嘗試著各種新的智能化抄表技術(shù)。從智能卡式抄表、有線MBUS自動(dòng)抄表到小無(wú)線智能表抄表，然而依然沒(méi)有找到一種徹底解決諸多問(wèn)題的理想抄表模式?？ū頍o(wú)法有效對(duì)用水情況進(jìn)行監(jiān)控從而及時(shí)有效的均衡和調(diào)度供水；有線表施工復(fù)雜、成本高，調(diào)試?yán)щy，維護(hù)工作量大；小無(wú)線表網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差、需要后期長(zhǎng)期維護(hù)，功耗與實(shí)時(shí)性難以兼顧。隨著NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，讓智能水表抄表技術(shù)看到了勝利的曙光，水表行業(yè)也迅速將目光鎖定在這一新興技術(shù)上。智能水表系統(tǒng)作為智慧城市建設(shè)的重要組成部分，對(duì)其智能化、大數(shù)據(jù)化管理提出了日益迫切的需求，基于NB-IoT技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)正適應(yīng)了這一需求變化，本文將結(jié)合NB-IoT技術(shù)的特點(diǎn)介紹該技術(shù)在智能水表抄表上的應(yīng)用。

1 NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)

NB-IoT技術(shù)作為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要技術(shù)，其構(gòu)建于電信運(yùn)營(yíng)商傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，信道占用帶寬200KHz，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或者TLE網(wǎng)絡(luò)，信道支持獨(dú)立部署、帶內(nèi)部署、邊帶部署三種方式，上行采用SC-FDMA通信調(diào)制方式，下行采用OFDMA通信調(diào)制方式，信號(hào)發(fā)射功率為23dBm，可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有電信網(wǎng)絡(luò)的平滑升級(jí)，快速實(shí)現(xiàn)全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋。網(wǎng)絡(luò)連接可靠，比傳統(tǒng)的GPRS覆蓋能力增強(qiáng)20dB，每個(gè)基站可以接入5萬(wàn)個(gè)設(shè)備終端，可以最大覆蓋15Km的范圍，還能提供全面的室內(nèi)覆蓋連接。電信網(wǎng)絡(luò)授權(quán)頻段，連接安全性高，易于安裝和維護(hù)?？梢詫⑺谢诘凸牡奈锫?lián)網(wǎng)領(lǐng)域的設(shè)備接入到廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，采用星型網(wǎng)絡(luò)模式，無(wú)需中繼，采用了PSM和eDRX兩種低功耗技術(shù)，可以大大延長(zhǎng)低功耗設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。龐大的市場(chǎng)基礎(chǔ)和芯片的低成本技術(shù)可以有效降低使用成本。因?yàn)镹B-IoT技術(shù)具有廣覆蓋、高可靠性、高安全性、低成本、低功耗等特點(diǎn)，可以有效解決智能水表領(lǐng)域的諸多抄表問(wèn)題。

2 NB-IoT智能水表系統(tǒng)架構(gòu)

NB-IoT智能水表抄表系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)框圖如圖1所示。主要由帶NB-IoT通信模組的水表、NB-IoT通信基站、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、業(yè)務(wù)服務(wù)器、客戶端管理軟件等構(gòu)成。每戶居民家里設(shè)置一只NB-IoT技術(shù)的智能水表，開通運(yùn)行后，智能水表會(huì)搜尋到附近的NB-IoT通信基站并注冊(cè)到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，云平臺(tái)就會(huì)知曉該設(shè)備需要上報(bào)和接收的數(shù)據(jù)能力，智能水表的用水?dāng)?shù)據(jù)可通過(guò)通信基站上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，也可以接收來(lái)自云平臺(tái)的控制數(shù)據(jù)消息。客戶端管理軟件通過(guò)業(yè)務(wù)服務(wù)器從云平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)抄收到的居民用水?dāng)?shù)據(jù)，監(jiān)控各個(gè)居民的實(shí)時(shí)用水情況，客戶端還可對(duì)居民用水進(jìn)行實(shí)時(shí)階梯調(diào)價(jià)控制，定制業(yè)務(wù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)抄收策略，向居民推送每月的用水情況和扣費(fèi)情況。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 NB-IOT智能水表的實(shí)現(xiàn)

智能水表是在傳統(tǒng)機(jī)械水表的基礎(chǔ)上，采用專用于水表的TI的微處理器和旋轉(zhuǎn)掃描接口SCANIF的一體化方案芯片MSP430FW42X，該芯片具有靜態(tài)功耗低、測(cè)量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性和一致性好的特點(diǎn)，在小流量下可以保持很高的測(cè)量精度，并且絲毫不受各類水銹、雜質(zhì)的影響，采用附有金屬膜的葉輪在流體中旋轉(zhuǎn)，無(wú)磁非接觸式傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送至微處理器的SACNIF接口計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)流體流量和方向，內(nèi)部的定時(shí)狀態(tài)機(jī)可以自動(dòng)定時(shí)完成信號(hào)檢測(cè)，微處理器對(duì)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理后按照一定通信協(xié)議封裝到數(shù)據(jù)報(bào)文里，最后通過(guò)NB-IoT通信模組發(fā)送出去。供電電源采用鋰亞硫酰氯電池，8.5Ah的電池容量可穩(wěn)定工作8—10年以上。

水表的主控MCU最低運(yùn)行時(shí)功耗5μA，集成了LCD驅(qū)動(dòng)、掉電保護(hù)功能和電源電壓監(jiān)控器，接口資源豐富，性價(jià)比高。

NB-IoT模組的硬件設(shè)計(jì)采用BC95，休眠功耗5μA，待機(jī)功耗6mA。發(fā)射功率23dBm，接收靈敏度-129dBm。通過(guò)串口和使用標(biāo)準(zhǔn)AT命令集可以方便的控制模塊向云平臺(tái)端上傳各類采樣數(shù)據(jù)和接收控制信息。

4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商已針對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架設(shè)了專用的物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺(tái)，所有物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的設(shè)備終端和應(yīng)用都可以注冊(cè)到該云平臺(tái)上，可以通過(guò)MQTT協(xié)議、HTTP協(xié)議，CoAP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

5 業(yè)務(wù)服務(wù)器和客戶端管理軟件的實(shí)現(xiàn)

智能水表抄表系統(tǒng)業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要在水業(yè)管理中心設(shè)置終端控制和應(yīng)用數(shù)據(jù)處理的業(yè)務(wù)服務(wù)器，客戶端管理軟件是采用B/S結(jié)構(gòu)的web網(wǎng)站形式的管理系統(tǒng)，開發(fā)平臺(tái)選擇了Microsoft Visual Studio 2015，開發(fā)語(yǔ)言采用了面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言C#，前端頁(yè)面應(yīng)用HTMLS，javascript和jquery等主流前端技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)選用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle。

6 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

為驗(yàn)證NB-IoT技術(shù)的系統(tǒng)通信效果，選擇30層的小高層住宅樓進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，在每層樓的樓道內(nèi)安裝有NB-IoT智能水表，共計(jì)87只。通過(guò)小區(qū)外的一個(gè)NB-IoT通信基站進(jìn)行抄收，運(yùn)行三個(gè)月實(shí)時(shí)抄收成功率100%，每天定時(shí)主動(dòng)上報(bào)抄收成功率100%。

7 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的NB-IoT技術(shù)在智能水表的應(yīng)用具有實(shí)現(xiàn)便捷、使用安全可靠、用戶管理方便的特點(diǎn)，從性能測(cè)試與分析結(jié)果可知，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)良好，性能穩(wěn)定，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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