淺析NB-IoT技術在智能水表領域的應用

胡勇虎 于洪濤 浙江正泰儀器儀表有限責任公司杭州分公司

淺析NB-IoT技術在智能水表領域的應用

胡勇虎 于洪濤 浙江正泰儀器儀表有限責任公司杭州分公司

由于傳統智能水表抄表存在實時監控難、施工復雜、成本高、通信穩定性差等諸多問題，隨著NB-IoT窄帶物聯網技術的出現，將能從根本上改變這一局面。基于NB-IoT技術具備廣覆蓋、高可靠性、高安全性、低成本、低功耗等特點，在智能水表領域不僅可以降低抄表成本，而且可以實現水表管理的智能化和大數據化管理，具有非常重要的實際應用價值。

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在城市化建設的飛速發展的當今社會，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慣，供水企業為了解決日益突出的入戶抄表難、抄表工作量大的問題，也在不斷嘗試著各種新的智能化抄表技術。從智能卡式抄表、有線MBUS自動抄表到小無線智能表抄表，然而依然沒有找到一種徹底解決諸多問題的理想抄表模式。卡表無法有效對用水情況進行監控從而及時有效的均衡和調度供水；有線表施工復雜、成本高，調試困難，維護工作量大；小無線表網絡穩定性差、需要后期長期維護，功耗與實時性難以兼顧。隨著NB-IoT窄帶物聯網技術的出現，讓智能水表抄表技術看到了勝利的曙光，水表行業也迅速將目光鎖定在這一新興技術上。智能水表系統作為智慧城市建設的重要組成部分，對其智能化、大數據化管理提出了日益迫切的需求，基于NB-IoT技術的智能抄表系統的實現正適應了這一需求變化，本文將結合NB-IoT技術的特點介紹該技術在智能水表抄表上的應用。

1 NB-IoT技術特點

NB-IoT技術作為萬物互聯網絡的一個重要技術，其構建于電信運營商傳統的蜂窩網絡，信道占用帶寬200KHz，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或者TLE網絡，信道支持獨立部署、帶內部署、邊帶部署三種方式，上行采用SC-FDMA通信調制方式，下行采用OFDMA通信調制方式，信號發射功率為23dBm，可實現在現有電信網絡的平滑升級，快速實現全面網絡覆蓋。網絡連接可靠，比傳統的GPRS覆蓋能力增強20dB，每個基站可以接入5萬個設備終端，可以最大覆蓋15Km的范圍，還能提供全面的室內覆蓋連接。電信網絡授權頻段，連接安全性高，易于安裝和維護。可以將所有基于低功耗的物聯網領域的設備接入到廣域網的蜂窩數據連接，采用星型網絡模式，無需中繼，采用了PSM和eDRX兩種低功耗技術，可以大大延長低功耗設備的待機時間。龐大的市場基礎和芯片的低成本技術可以有效降低使用成本。因為NB-IoT技術具有廣覆蓋、高可靠性、高安全性、低成本、低功耗等特點，可以有效解決智能水表領域的諸多抄表問題。

2 NB-IoT智能水表系統架構

NB-IoT智能水表抄表系統應用架構框圖如圖1所示。主要由帶NB-IoT通信模組的水表、NB-IoT通信基站、物聯網云平臺、業務服務器、客戶端管理軟件等構成。每戶居民家里設置一只NB-IoT技術的智能水表，開通運行后，智能水表會搜尋到附近的NB-IoT通信基站并注冊到物聯網云平臺，云平臺就會知曉該設備需要上報和接收的數據能力，智能水表的用水數據可通過通信基站上傳到物聯網云平臺，也可以接收來自云平臺的控制數據消息。客戶端管理軟件通過業務服務器從云平臺獲取實時抄收到的居民用水數據，監控各個居民的實時用水情況，客戶端還可對居民用水進行實時階梯調價控制，定制業務服務器的數據抄收策略，向居民推送每月的用水情況和扣費情況。

圖1 系統架構圖

3 NB-IOT智能水表的實現

智能水表是在傳統機械水表的基礎上，采用專用于水表的TI的微處理器和旋轉掃描接口SCANIF的一體化方案芯片MSP430FW42X，該芯片具有靜態功耗低、測量范圍寬、精度高、穩定性和一致性好的特點，在小流量下可以保持很高的測量精度，并且絲毫不受各類水銹、雜質的影響，采用附有金屬膜的葉輪在流體中旋轉，無磁非接觸式傳感器將其轉化為電信號送至微處理器的SACNIF接口計算出轉動流體流量和方向，內部的定時狀態機可以自動定時完成信號檢測，微處理器對采集到的信號數據進行處理，對數據進行加密處理后按照一定通信協議封裝到數據報文里，最后通過NB-IoT通信模組發送出去。供電電源采用鋰亞硫酰氯電池，8.5Ah的電池容量可穩定工作8—10年以上。

水表的主控MCU最低運行時功耗5μA，集成了LCD驅動、掉電保護功能和電源電壓監控器，接口資源豐富，性價比高。

NB-IoT模組的硬件設計采用BC95，休眠功耗5μA，待機功耗6mA。發射功率23dBm，接收靈敏度-129dBm。通過串口和使用標準AT命令集可以方便的控制模塊向云平臺端上傳各類采樣數據和接收控制信息。

4 物聯網云平臺的實現

電信網絡運營商已針對NB-IoT網絡架設了專用的物聯網公共云平臺，所有物聯網領域的設備終端和應用都可以注冊到該云平臺上，可以通過MQTT協議、HTTP協議，CoAP協議來實現數據的傳輸。

5 業務服務器和客戶端管理軟件的實現

智能水表抄表系統業務的實現需要在水業管理中心設置終端控制和應用數據處理的業務服務器，客戶端管理軟件是采用B/S結構的web網站形式的管理系統，開發平臺選擇了Microsoft Visual Studio 2015，開發語言采用了面向對象的編程語言C#，前端頁面應用HTMLS，javascript和jquery等主流前端技術，數據庫選用的是關系型數據庫Oracle。

6 系統性能測試與分析

為驗證NB-IoT技術的系統通信效果，選擇30層的小高層住宅樓進行測試驗證，在每層樓的樓道內安裝有NB-IoT智能水表，共計87只。通過小區外的一個NB-IoT通信基站進行抄收，運行三個月實時抄收成功率100%，每天定時主動上報抄收成功率100%。

7 結語

本文所介紹的NB-IoT技術在智能水表的應用具有實現便捷、使用安全可靠、用戶管理方便的特點，從性能測試與分析結果可知，整個系統的運行狀態良好，性能穩定，具有廣泛的市場應用前景。

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