基于窄帶物聯網技術的低壓電表集抄應用

劉柱輝

（中國電信股份有限公司東莞分公司，廣東 東莞 510630）

1 引言

窄帶物聯網（NB-IoT）在當今信息世界中的應用展現出了一日千里的景象，作為新一代信息技術的先進代表，它是無線互聯網、傳感器和射頻識別等技術的深度融合。電表遠程集抄是窄帶物聯網在電表行業的應用，是利用NB-IoT信息技術實現電表維保單位、物業管理單位、電力使用客戶、電表檢驗部門和動力監管部門的信息與數據交互。因此，電表窄帶物聯網技術是現代信息技術與傳統電表應用的全面融合，必將深遠影響著電表應用的發展。

2 窄帶物聯網技術

窄帶物聯網俗稱萬物相連的互聯網，是現代科學技術不斷發展的產物，是隨著信息技術的不斷普及而產生的。繼計算機時代、互聯網時代后，窄帶物聯網時代逐步蔓延開來，成為第三次信息技術革命。簡而言之，窄帶物聯網仍然是基于互聯網的基礎上，以互聯網技術應用為核心，但是更為重視現代互聯網基礎上的拓展和延伸。互聯網用戶端不斷延伸，拓展到了不同物體與物體之間，并進行了物品之間的信息交換。這種信息溝通方式被稱為窄帶物聯網模式。窄帶物聯網模式凸顯了互聯網信息技術的優勢和地位，強調了互聯網存在的普遍性和跨空間性。窄帶物聯網模式具有鮮明的時代性和信息科技化，具備全面感知性和可靠的傳送性，并能夠在現代信息技術的支持下實現智能化控制和處理，對于電表窄帶物聯網的發展而言，意義極大。

2.1 窄帶物聯網技術發展

窄帶物聯網誕生的必然性是寄托著電信行業對物聯網市場的憧憬。其前身可以追溯到中國華為與英國沃達豐在2014年共同提出的NB-M 2M。由這兩家公司首次提出的窄帶蜂窩物聯網概念一經提出即得到了業界的廣泛認可，隨后越來越多通信行業的巨頭加入到這一方向的標準化研究中。第三代合作伙伴計劃(3GPP)為了促進標準的統一有利于產業發展，在2015年9月無線接入年會全會達成一致，確立NB-IoT為窄帶蜂窩物聯網的唯一標準。2016年起，中國通訊運營商積極響應國家“互聯網+”戰略，與華為、中興針對NB-IoT展開合作，成立物聯網聯合創新項目組。窄帶物聯網在2016年下半年涌現出更多的商業應用，開啟了巨大的“藍海”市場，并將在各行業出現爆炸式增長。

2.2 窄帶物聯網體系架構

窄帶物聯網的目的就是為了讓物件擁有“感知”，實現人能獲取到萬物的重要信息而實現管理。為了發揮窄帶物聯網的作用，其體系架構按照行業規范有三部分：感知層、網絡層和應用層，如圖1所示。

圖1 NB-IoT體系架構

感知層位于窄帶物聯網架構的最底層，作為獲取物件信息的基礎，采集物的狀態信息、地點信息、運行數據。設備組件包含各種傳感器、標簽識別器、智能設備識別器、工業現場總線等，把物的狀態信息、運行數據傳輸到傳感網關。由傳感器技術、二維碼技術、RFID射頻識別技術、工業現場總線技術（如RS485、CC-Link）等組成了感知層的關鍵技術，正如人類感知冷暖的皮膚，提升了物件的交互性。

窄帶物聯網網絡層，對比原來的物聯網實現了跨越式變化。待機壽命長，超過十年；接入容量大，單個小區能支持10萬連接；覆蓋范圍廣，在同樣的頻段下，NB-IoT比原有無線網絡增益20dB，覆蓋面積擴大100倍，為感知層所獲得的數據提供更可靠性、更安全性、更高效率的遠距離傳輸通道。網絡層的關鍵技術為移動蜂窩定位技術、Internet互聯網技術、2G/3G/LTE無線接入技術、無線傳感器網絡技術等，正如人類傳遞感知的神經，這促進了物件信息的可靠傳遞。

NB-IoT應用層負責把感知層采集信息與網絡層傳輸數據進行分析提取處理，實現遠程監視和控制，達到智能化管理效果。因此，應用層一般包括兩個子層：通用能力設備層和應用程序層。通用能力設備層利用強大的后臺服務器和工作站，對數據進行存儲、分析和處理；應用程序層主要提供人機操作界面，人們通過終端設備監視和控制各種窄帶物聯網的物，以及獲取經后臺服務器提供的各種應用。應用層的核心關鍵技術包括中間件技術、云計算技術、數據挖掘技術、人工智能技術等，正如人類發號施令的大腦，實現物聯網信息管控性。

3 電表物聯網技術

3.1 電表物聯網的發展

目前電表窄帶物聯網主要用于遠程電表集抄監控。2016年中國電信運營商在北京、上海、廣州、深圳、福州、長沙、銀川7個城市啟動了基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外場規模組網試驗，并將于2018年開始全面推進國家范圍內的NB-IoT商用部署；中國電信已于2016下半年部署了基于NB-IoT網絡電表集抄業務，正大步推動著能源電表管理進入了萬物互聯時代。

3.2 電表窄帶物聯網的體系架構

基于行業制定標準，同樣采用感知層、網絡層和應用層三層體系架構的電表集抄物聯網，如圖2所示。

普遍采用微控制器來控制的電表，本身就是一個智能設備。因此，電表控制器是電表窄帶物聯網感知層的核心組成部分。除了電表控制器外，還包括視頻傳感器、變壓器、采集器、紅外傳感器、RFID標簽等設備，實現檢測電表運行狀態的功能。這些傳感器與網絡路由器連接，或與電表控制器連接后，再由電表控制器把數據傳輸到數據采集通信器。

圖2 電表集抄物聯網

電表窄帶物聯網網絡層主流使用2G/3G的LTE無線接入技術。該技術依托電信運營商800M物聯網傳輸，結合NB-IoT技術覆蓋廣、待機壽命長、接入容量大的特點，通過電信NB物聯網卡實現物聯網物品信息的接入和數據的交互，采用的是NB網絡模組和運營商NB物聯網卡，不但縮短前期安裝周期及后期網絡維保成本，還解決在用電表快速改造、新裝電表便利接入的問題。

電表窄帶物聯網應用層的功能：利用網絡管理技術、Web服務技術、智能APP技術、人工智能技術，通過對電表實時數據、運行動態數據的分析處理，向供電企業提供對地區設備、環境等信息進行收集、維護和整理。為順利地進行項目建設，以及后期維護工作，可通過建設信息化系統來協助管理及完成工作，以提高工作效率，完善數據管理，提高數據的準確性及利用價值，提高信息利用率及企業產值。

4 電表窄帶物聯網的應用設計

4.1 電表窄帶物聯網感知層的總體設計

電表窄帶物聯網感知層由各種檢測開關、傳感器、電表控制器和數據采集通信器等組成，如圖3所示。

電表控制器本身包括各種檢測發生器、傳感器，用于控制電表運行。采集信息的元器組件，就如同是電表控制器的“五官”和“皮膚”，是實現定時檢測和采集控制的重要環節。利用這些檢測裝置，可以獲取電表的位置、用電讀數、電流波動、電路狀態、環境情況、用戶身份等信息。電表控制器把電表上的環境傳感器、電表開關檢測的信息采集和轉換信號后，經過RS485串行通信，把數據傳給無線通信器，再由無線通信器經過2G/3G無線網絡把數據傳給后臺服務器。另一方面視頻傳感器是獨立于電表控制系統的，主要用于監控大型電源變電站情況。由于視頻的數據量大，一般通過小區監控DVR設備前端視頻存儲，再通過INTERNET路由器，把數據從INTERNET網絡傳到后臺服務器。

圖3 感知層器件

4.2 電表窄帶物聯網應用層總體設計

電表窄帶物聯網應用層是基于linux、unix、w indows平臺，采用開放式JAVA、C+語言開發的。其信息內容包括管理單位、維保單位、檢驗單位、監督單位、電表廠家、用戶信息、工作地圖。在電表上實現用電取數、電表位置、維保跟蹤、遠程監控、維護運營、資源調度等方面的使用需求。根據用戶需求，NB-IoT應用層設計包括移動客戶端模塊、云端平臺管理系統模塊兩部分。

4.3 電表窄帶物聯網技術在移動客戶端模塊的應用

移動客戶端模塊是為了滿足使用電表窄帶物聯網的作業人員的需要，由于經常在戶外面施工，手機和移動終端是不可或缺工具，因此在該方面作出應用研究。

(1)用戶登錄。用戶直接在手機上登錄客戶端系統，每個用戶可分配對應的用戶名及登錄密碼，密碼可自行管理。每個用戶可下載不同的工作任務，提交完成的任務數據。

(2)勘察定位。登錄系統后，系統可通過衛星信號自動定位當前位置，可手動在衛星地圖上定好準確位置后，再錄入各項勘察信息。可進行多個位置定位，并記錄定位信息。不同的設備定位，勘察錄入信息、界面均有不同，以確保數據準確無誤。

(3)移動跟隨。系統設有衛星跟隨功能，只要開通APP并登錄，即可記錄當前用戶的行動軌跡，同時可準確定位實際位置。可對地圖上任意兩點進行距離測算，方便勘察人員對臺區環境進行合理判斷。定好的位置，勘察的數據，在未向云端正式提交信息之前，可點擊修改定位位置及相關信息。

(4)搜索功能。系統可讀取云端服務器上的任務信息，并可下載到手機本地，可進行模糊搜索，快速找到信息。勘察的各項信息設有常用的默認選項，方便戶外操作快速完成任務。搜索功能強大，輸入臺區號、冊號、戶號、資產號等信息均可進行模糊查找，快速查找到匹配信息。

(5)信息提交多樣化。現場查找、錄入信息方便快捷，同時開發有條形碼、二維碼掃描讀取信息功能。

(6)圖片上傳。可將現場勘察的環境進行拍照上傳，可上傳多個圖片，方便后端人員及施工人員確認現場環境。

(7)異常勘察。對找不到、拆遷、銷戶等異常數據進行特殊勘察信息提交，后臺可快速歸類。

(8)方案表信息。在現場勘察完一個臺區后可提交總方案表，系統自動統計合計信息如表箱數量、采集器數量等等。

(9)數據提交。在云端已經審核的勘察數據，可隨時搜索下載，對保存的定位信息，可進行位置導航，隨時可在地圖上找到設備位置。

(10)定位導航。對勘察定位的地址，可隨時調出地圖進行導航，可方便勘察人員、施工人員快速找到定位地址。

(11)定制客戶端。可為施工人員、維護人員獨立定制開發移動APP系統，實現手機接收施工任務、維護工單信息，在線遠程提交竣工設備信息、處理維護信息。可導航到設備的位置，如有錯誤可修改定位信息并提交。施工人員通過APP現場下載勘察數據，APP掃描采集現場設備數據進行匹配后，再同步到后臺系統，提高效率同時減少手工錄入出現的錯誤。

4.4 窄帶物聯網（NB-IoT）技術在云端平臺管理系統模塊的應用

(1)系統桌面。系統登錄后看到的第一個頁面，上面內容可提取系統上重點的信息，如公告信息，最新的項目信息，待處理工作（任務）等等。

(2)任務管理。可導入現有格式的第三方資料信息，并減少手工錄入，根據導入的任務信息，根據計劃安排給對應的用戶。

(3)數據成果管理。每項勘察數據自動匯總成報表，可進行分類查找，設有多個條件的搜索，如時間、工作人員、臺區、資產編號等等。目前分有電表數據、變壓器數據等報表。數據上包含勘察時添加的關聯信息，如采集器關聯哪些電表，集中器關聯哪些采集器、哪些電表。

(4)衛星地圖數據。根據臺區進行數據查找，可調出臺區內各項定位信息，包含電表、變壓器、采集器、集中器等設備定位信息；可進行距離測算，對定位信息可進行修改；不同的圖標，不同設備采用不同顏色的圖標進行標示；設計人員可直接剪接地圖使用，減少設計時間。

(5)數據導出。平臺數據可進行分類導出，導出格式按不同需求進行了樣式設計；可篩選出多個臺區數據，一次性導出設計好的excel報表；可導出適合谷歌地球使用的txt文件、km l文件；極大提高信息利用率，方便設計人員快速整理臺區設備衛星分布圖；通過安全考慮，可隨時追查數據導出記錄。

(6)施工、運維管理。任務管理提前導入任務信息并安排到指定的施工班組，這個功能可給施工單位使用；可查看任務完成情況，資料提交信息審核管理；后臺維護工單管理，安排維護維修工單，跟蹤工單完成過程及結果情況。

5 結束語

本文所述電表集抄窄帶物聯網的用電取數、電表位置、維保跟蹤、遠程監控、維護運營、資源調度等功能應用，已在我司大客戶推廣使用。經過將近兩年的現網驗證，電表取數時間大幅度縮短，日常維保效率得到有效提升，電表故障發生率明顯降低。基于窄帶物聯網在電表行業的應用雖然仍存在一些短板，如市場推廣度不足、移動通信數據缺乏互聯互通、終端芯片標準不一等，但應用前景廣闊，將是行業發展的熱點與方向。