WM-Bus技術在物聯網智能水表領域的應用

田亞雷

（深圳市愛思強科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

早期的智能水表采用的是有線通信方式，以M-Bus 智能水表為例，在我國的應用大致始于2010 年，并且主要用于新建樓盤，這是因為遠程抄表系統需要進行大量的布線，而老舊小區的改造難度太大，正因如此，采用無線通信技術設計的智能水表進入人們的視野。無線通信在智能水表中的應用最早以短距離通信技術為主，但因為短距離通信的覆蓋面較小，面對復雜的水表安裝環境，其整體通信質量不佳[1]。

隨著物聯網技術的興起，信息產業的第三次技術革命正在發生[2]。隨后，GPRS、LoRa、NB-IoT 等技術先后出現在智能水表領域。

GPRS 作為主要的智能水表通信技術大致始于2013年，GPRS 采用的是授權頻段，抗干擾能力強、信號安全性高、傳輸距離長，但信號的穿透性較差，覆蓋不到較深位置的水表。同時，GPRS 通信能耗大，運營成本高，所以基于GPRS 的智能水表前景不好。

LoRa 技術是在2013 年由SEMTECH 公司推出的一款基于1 GHz 以下的超長距低功耗的數據傳輸技術。LoRa 采用線性擴頻調制技術，不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送，也不會相互干擾，對通信深度衰落和多普勒頻移具有更好的穩定性[3]。LoRa 網絡主要由終端、網關、服務器和云4 個部分組成。在企業級LPWAN（Low-Power Wide-Area Network）項目中，較大的難題是LoRa 基站的部署，并且需要運營商的網絡進行廣域網傳輸。LoRa 基站的部署受現場施工條件的限制，如果現場沒有電源供電或者沒有運營商網絡接入，都會導致網絡建設的成本增加、施工困難、維護不易等問題發生。在產品設計方面，LoRa 只負責PHY（物理層）和MAC 層的協議定義，LoRa 芯片只支持射頻功能，另外需要額外增加一顆芯片來實現LoRa 協議，因此，終端開發的硬件和軟件的投入成本都會很大。

NB-IoT 技術成熟于2016 年，其是基于低速廣域物聯網而設計的，不再受限于3G、4G 等公共通信網絡，僅借鑒了4G 設計的部分參數。NB-IoT 技術可以較好地滿足大多數物聯網設備的需求，采用半雙工模式，信令處理簡單。NB-IoT 智能水表系統的組成主要有 5 個部分，即水表（NB-IoT 通信模組的）、通信基站、服務器、云平臺和管理軟件[4]。基站的部署，服務器云平臺的搭建，往往會增加大量的成本，在電池供電的應用場合，NB-IoT 能耗偏高，智能水表的使用壽命往往很難達到預期的要求。

如今低成本低功耗的物聯網設備已成為產業發展的趨勢，在這樣的背景下，WM-Bus 技術的研發得以實現，該技術可以較好地滿足物聯網設備的需求，隨著WM-Bus 技術標準的不斷完善，基于WM-Bus 的實際應用將會更廣。

1 WM-Bus的關鍵技術

1.1 物理層

物理層支持的頻譜有169 MHz、433 MHz 和868 MHz，數據信息的上行和下行均需要用到調制調解器如FSK、GFSK、4GFSK。在載波應用方面，主要采用了曼徹斯特編碼、NRZ（Non-Return-to-Zero Code）編碼和6 選3 的編碼方式，在低速率方面有很大優勢。

1.2 鏈路層

鏈路層主要有2 種數據格式，即格式A 和格式B，可以通過檢測同步碼和同步碼序列來判斷具體格式。格式A和格式B 主要由3 個部分組成，分別是First block、Second block 和Optional block。First block 包含了終端設備必要的控制信息和地址信息，Second block 和Optional block 為用戶的私有數據。

1.3 應用層

應用層主要用來區分不同的設備和實際的業務數據，WM-Bus 協議棧可以應用在水表、電表、氣表、熱表以及各種傳感器上，并通過Device Type 域來區分不同的設備。

1.4 組網

WM-Bus 只支持主從模式，因此在組網上只支持星型網絡。從模塊一般為終端，也可以是不同行業具備物聯網功能的設備。主模塊一般為中心節點，主要控制終端設備、接收終端設備的數據，并進行數據分析。

1.5 工作模式

WM-Bus 支持的模式有T、S、C、R2、N、P、Q 和F等模式，其中T、S、C 是應用最廣的模式，每種模式與物理層以及鏈路層協同工作。以T 模式為例，T 模式分為2 種模式，即T1 和T2 ，T1 是單向通信模式，只有上行通信，當終端向中心節點上報一組數據后，立刻進入休眠。T2 為雙向通信，即上行和下行，當終端向中心節點上報一組數據后，進入短暫的接收模式，超時之后立即進入低功耗模式。

2 WM-Bus在智能水表中的應用

2.1 WM-Bus智能水表的實現

WM-Bus 協議棧支持多種工作模式，為了可以使終端設備快速上市，可根據實際的市場需求實現其中的一種工作模式即可。如T 模式，終端設備長期工作在T1 模式，當需要對終端進行控制時，終端切換到T2 模式。中心節點長期工作在T2 模式，實時對終端設備數據進行采集和處理，WM-Bus 智能水表的實際應用框架如圖1 所示。

圖1 智能水表的應用框架

2.2 WM-Bus智能水表的優勢

2.2.1 成本低

WM-Bus 協議棧在歐洲國家的應用很廣，是OMS （Open Metering System）推薦的一種遠程抄表協議，其工作在免費的頻段，無須運營商的支持，因此可以節省大量的授權費用。在硬件的設計上，目前很多國際芯片廠商（如TI、SILICON LABS）為WM-Bus 協議棧提供了底層支持，開發容易，縮短了終端設備的上市時間。在有電池供電的場合下，終端設備一般采用T1 模式周期性上報數據，適合walk-by 或drive-by 的抄表方式，只需要增加少量的中心節點即可滿足要求。

2.2.2 功耗低

終端設備使用年限長，一般采用T1 模式，其中射頻通信是最主要的能耗部分。能耗的直接表現是消耗的電流大小。根據公式（1）可以計算在一個周期內終端設備消耗的平均電流，公式（2）可以計算出終端的理論使用壽命。

式中：Iv表示在一個周期內終端消耗的平均電流，Qr表示在一個周期內RF（Radio Frequency）通信消耗的能量，Qs表示一個周期內終端在低功耗模式下消耗的能量，Qa表示在一個周期內數據采集消耗的能量，Qb為供電電池的總容量，單位是毫安秒（mAs）。t 表示一個RF 通信周期，r 為電池容量的有效百分比，Y 表示終端的使用壽命。

表1 中的數據基于TI 的CC1310 平臺，水表為1L/P 類型的水表（1L/P 在這里表示水表每計量1 L 的水，機械轉盤旋轉一圈，產生一個脈沖信號），電池容量Qb為3 500 mAh ，r = 0.5，即電池的有效容量是標稱容量的1/2，通過大量的測量，可得表1 的試驗數據。

表1 試驗數據

由表1 可知，在一定條件下，終端設備的使用壽命與RF 通信的周期呈現相關關系，RF 通信周期越長，終端的使用壽命越長，反之，終端設備的使用壽命越短。

3 結語

隨著智慧城市建設的加速推進，智能水表的應用將是水務管理發展的必然需求。智能水表的發展經歷了從有線通信方式，再到GPRS、LoRa、NB-IoT、WM-Bus 等無線通信技術的過程，每種技術都有自己的特色和適用場景。該文只從終端設備的成本和使用壽命角度進行了研究，沒有考慮其他因素的影響，在未來的研究中，可以綜合其他方面的因素深入研究物聯網技術在智能水表中應用。