基于NB-IoT智能水表的家庭用水智能監(jiān)控

劉思晴，解迎剛，辛博倫，鄧棋文

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 引 言

我國是一個嚴(yán)重缺水的國家，雖然淡水資源總量高，但是人均只有2 200 立方米，在世界上排名121位，屬于全球人均水資源匱乏的國家。據(jù)統(tǒng)計，我國每年農(nóng)村大約有3.6億人喝的飲用水不符合標(biāo)準(zhǔn)，水資源已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展和長久治安的重大戰(zhàn)略問題。我國國土面積廣，跨度大，地區(qū)氣候差異大，導(dǎo)致水資源分布不均勻，基本情況是人多水少，南多北少，沿海多內(nèi)地少，山地多平原少，并且水資源開發(fā)難度很大。最有效的保護(hù)措施就是全民提高節(jié)約用水意識，從源頭控制用水量。

一直以來，我國供水行業(yè)存在很多管理痛點，首先，傳統(tǒng)機(jī)械水表依靠人工抄表，隨著人力成本的不斷上升，不僅大大增加了水務(wù)公司的成本，同時人工手動抄表也存在錯誤率高和結(jié)算周期長等缺點。其次，隨著國家、群眾資源保護(hù)意識的逐漸增強(qiáng)，愈加重視水資源節(jié)約問題，而傳統(tǒng)機(jī)械水表存在無法及時監(jiān)測用水量，更無法檢測漏水異常等一系列問題。

為解決這些問題，智能水表應(yīng)運(yùn)而生，逐步廣泛應(yīng)用于人民生活之中。智能水表與傳統(tǒng)機(jī)械水表最大的區(qū)別就是通過移動通信網(wǎng)絡(luò)自動聯(lián)網(wǎng)抄表，不必人工抄表，而且這種遠(yuǎn)程抄表相比人工抄表更準(zhǔn)確，還可以設(shè)計配套的智能管理系統(tǒng)，方便水務(wù)公司集中化、可視化、自動化監(jiān)測居民用水，提升管理人員的工作效率。智能水表內(nèi)部集成了低功耗、多通道的嵌入式無線數(shù)字傳輸模塊，可通過無線信道傳送信息。水表能夠和云平臺、手機(jī)端APP等組成一個家庭用水監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、繳費(fèi)、實時監(jiān)測等功能。未來，隨著相關(guān)政策的逐步落實，及資源節(jié)約、建設(shè)智慧城市的迫切需求，智能水表將逐步取代機(jī)械水表，最終完成更換。

窄帶物聯(lián)網(wǎng) （Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）具有覆蓋廣、功耗低、通信效率高、價格低等優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力可達(dá)164 dB，可實現(xiàn)地下建筑數(shù)據(jù)通信。同時，NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，信道帶寬180 kHz，可實現(xiàn)電表、水表等多個儀表的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取。本文基于NB-IoT智能水表的家庭用水智能監(jiān)控，解決當(dāng)前傳統(tǒng)機(jī)械水表抄表成本高、勞動強(qiáng)度大、錯誤率高和易引起糾紛等問題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該智能監(jiān)控系統(tǒng)按照端、管、云架構(gòu)設(shè)計，如圖1所示?；窘Y(jié)構(gòu)分為終端層、網(wǎng)絡(luò)層、物聯(lián)網(wǎng)平臺、水務(wù)應(yīng)用層等，其中，網(wǎng)絡(luò)層又分為物聯(lián)網(wǎng)基站和核心網(wǎng)。不同的層級之間通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)統(tǒng)一為一個有機(jī)的整體，保證智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建和快速上線，基本符合水表“萬物互聯(lián)”的發(fā)展要求。

圖1 NB-IoT智能水表基本結(jié)構(gòu)

（1）終端層：NB-IoT終端與NB-IoT基站連接，終端設(shè)備包括監(jiān)測傳感器、壓力表、流量計、智能水表、水質(zhì)儀表等，主要安裝在用戶水表終端，以確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。終端層采集用戶端水流量、水壓、水質(zhì)等數(shù)據(jù)信息，并借助NB-IoT基站將數(shù)據(jù)信息上傳至云平臺。這款智能水表不是孤立的，實現(xiàn)了智能水表的互聯(lián)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：該層包括兩個部分：一是NB-IoT基站，連接智能水表終端，使終端無線接入系統(tǒng)，再通過NB-IoT基站接收終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。同時，與核心網(wǎng)絡(luò)相連，將數(shù)據(jù)及時上報到網(wǎng)關(guān)。目前，NB-IoT基站的構(gòu)建形態(tài)大多是LTE基站。二是核心網(wǎng)，通過連接NB-IoT基站，利用傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)實現(xiàn)用戶終端簽約、認(rèn)證等業(yè)務(wù)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行處理，實現(xiàn)終端信息的交互功能和處理功能。

（3）IoT平臺：NB-IoT平臺匯集從不同接入網(wǎng)中采集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，然后分析不同數(shù)據(jù)類型和需求，將數(shù)據(jù)發(fā)送至相符的應(yīng)用服務(wù)器。平臺具有靈活高效的數(shù)據(jù)管理功能，包括對數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的連接管理，用于應(yīng)用功能開發(fā)和水表終端數(shù)據(jù)分析，以及對用戶數(shù)據(jù)的收集、分類、調(diào)用分析等。同時，還可以查詢系統(tǒng)是否連接，實現(xiàn)對連接狀態(tài)的感知、控制和診斷。

（4）應(yīng)用層：IoT應(yīng)用層位于NB-IoT智能水表監(jiān)控系統(tǒng)的最頂層，是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的核心控制層，主要負(fù)責(zé)用戶需求的實現(xiàn)。根據(jù)不用用戶的需求對數(shù)據(jù)做分析和處理，開發(fā)出多種類型和功能的應(yīng)用。通過連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以快速準(zhǔn)確地獲得智能水表終端層設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)信息，作為設(shè)備應(yīng)用開發(fā)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)對智能水表設(shè)備的統(tǒng)一管理。

2 NB-IoT智能水表工作過程

智能水表系統(tǒng)通常會嵌入一張SIM卡，主要實現(xiàn)水表的數(shù)據(jù)信息存儲和用戶身份識別功能。

運(yùn)營商向SIM卡商提供移動用戶識別碼、鑒權(quán)算法、密鑰等必要信息，由卡商將這些信息寫入；運(yùn)營商向水務(wù)部門或者水表公司出售SIM卡，將其嵌入智能水表中，水務(wù)公司向運(yùn)營商提出SIM卡激活、上電、鑒權(quán)等要求，將其接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸和接收。

NB-IoT協(xié)議為了與數(shù)據(jù)的傳輸特性相適應(yīng)，引入CP和UP兩種數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案。

（1）CP方案的特點在于并未采用數(shù)據(jù)無線承載的方式，主要通過NAS信令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，即將用戶數(shù)據(jù)嵌入控制面數(shù)據(jù)中發(fā)送，并通過MME對信令進(jìn)行處理，之后傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)較少時，傳輸速度較快。

（2）UP方案與LTE系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式相似，但增加了RRC狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸請求到達(dá)時，自動建立相應(yīng)的承載，可使用數(shù)據(jù)面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。如果沒有接收到數(shù)據(jù)傳輸請求，那么會臨時掛起前一次傳輸數(shù)據(jù)的用戶面，下一次傳輸時，可迅速恢復(fù)掛起用戶面連接。與移動網(wǎng)絡(luò)相比，UP方案適合發(fā)送頻次少，內(nèi)容多的數(shù)據(jù)，具有低功耗的特點。

3 NB-IoT智能水表優(yōu)勢

NB-IoT是新一代無線通信技術(shù)，功耗低，且NB-IoT運(yùn)行頻率段采用許可頻率段，具有更強(qiáng)的穿透能力，覆蓋范圍更廣。在復(fù)雜環(huán)境下，可以保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有效可靠的傳輸。該系統(tǒng)大大改善了通信丟包率嚴(yán)重的現(xiàn)象。

NB-IoT在我國的發(fā)展前景非?？捎^，各大運(yùn)營商紛紛開始建設(shè)NB-IoT，以窄帶物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源為基礎(chǔ)，進(jìn)行全國性的推廣與發(fā)展。運(yùn)營商應(yīng)用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)置專用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)元與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)隔，拒絕網(wǎng)絡(luò)供給，并對內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)進(jìn)行隔離，防止外部攻擊，能夠有效控制智能水表終端的訪問權(quán)限，保證各級客戶端網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 NB-IoT智能水表監(jiān)管系統(tǒng)特點

（1）遠(yuǎn)程抄表。物聯(lián)網(wǎng)平臺可以展示家庭用水?dāng)?shù)據(jù)，并接入繳費(fèi)系統(tǒng)，節(jié)省了人工上門收費(fèi)耗費(fèi)的人力，也減小了人工測量時產(chǎn)生的誤差，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表。

（2）漏水監(jiān)測系統(tǒng)。該平臺能夠監(jiān)測水表和水管，一旦出現(xiàn)漏水和水管爆裂等現(xiàn)象，物聯(lián)網(wǎng)平臺可以發(fā)出異常警報，水務(wù)有關(guān)部門會根據(jù)平臺發(fā)出的異常及時通知該家用戶水管情況，減少損失。

（3）實時查詢。用戶可以自行上網(wǎng)查詢自家的用水情況，該平臺可直觀展現(xiàn)用戶家庭每時、每日、每月、每年的用水量，也可對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化分析，用戶可通過數(shù)據(jù)對比提高節(jié)水意識。同時，系統(tǒng)還會對突然上漲的用水量進(jìn)行及時提醒，方便用戶檢查是否出現(xiàn)了水管漏水情況。

NB-IoT水表智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 NB-IoT水表智能監(jiān)控系統(tǒng)

5 結(jié) 語

系統(tǒng)以NB-IoT為核心，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)架構(gòu)，通過傳感器和芯片對水表和水管情況信息進(jìn)行采集，再通過NB-IoT將所得數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，實現(xiàn)智能水表的可視化、自動化運(yùn)行。用戶可通過手機(jī)或電腦登錄云平臺實時查詢自家用水情況并及時在平臺繳費(fèi)，節(jié)省了人力物力，提高了水務(wù)公司的工作效率。水務(wù)公司工作人員也可以根據(jù)該物聯(lián)網(wǎng)平臺對水表監(jiān)測異常所發(fā)出的報警及時通知用戶發(fā)生的異常情況，減少用戶損失。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對水表信息的監(jiān)測、收集、處理，打破了傳統(tǒng)水表的孤立性，與“萬物互聯(lián)”智能化趨勢相吻合，對智能水表技術(shù)升級有著促進(jìn)作用。此外，本系統(tǒng)的云端可視化功能可以讓用戶和水務(wù)公司直觀看見用水情況，通過每個時段用水量的上下波動提醒人們節(jié)約用水，從而提高全民保護(hù)水資源的意識?；贜B-IoT智能水表的家庭用水智能監(jiān)控系統(tǒng)對于減少資源浪費(fèi)具有十分重要的意義。