初探NB-IoT技術在智能水表領域中的應用

周斌

三川智慧科技股份有限公司 江西 鷹潭 335200

引言

為解決抄表難、管理難等問題，供水公司逐漸推廣應用智能水表，有效解決調試難度高、維護難度高的問題，實現對用水情況的實時監控。在智能水表中逐漸引進NB-IoT技術，有效降低了成本，提高了覆蓋范圍，具有更廣闊的應用前景。

1 NB-loT關鍵技術

NB-IoT是建立在LTE技術基礎上，根據NB-IoT應用需要進行改變。首先物理層采取200kHzRF帶寬，數據信息均要使用調制調解器。主要在GSM、TLE、UMTS三種網絡中部署，采取帶內部署、獨立部署以及保護帶部署三種形式。上行采取SC-FDMA調制方式，發射功率為23dBm，在運營商網絡下可以進行平滑升級，快速完成網絡覆蓋，具有較高的網絡可靠性。應用網絡運營商授權的頻段，整個安裝過程簡單，方便進行維護。相比于GPRS，NB-IoT覆蓋提高了20dB+，上行功率加強17dB。在2G/3G/LTE技術中，譜密度為200mW/180kHz[1]。可使用常規電池供電，使用PSM省點模式，閑置狀態下收發信機關閉。采取eDRX擴展接收，信道偵聽周期增加。終端在完成數據包的發送后，會自動保持休眠狀態，在接到數據請求時，才會喚醒發送數據。由于使用復雜度低的基帶，協議簡化。使用2G/3G/4G芯片，能夠完成大數率的傳送，NB-IoT芯片支持低速率、窄帶，對物聯網采取半雙工、單天線方式，對信令處理進行簡化，有效降低成本。

2 在智能水表領域中NB-loT技術的應用

2.1 智能水表結構

智能水表采取應用層、終端層、物聯網、網絡層，網絡層包括核心網和基站。在不同層級中依賴于大數據以及物聯網進行連接。終端層是指用戶水表端，位于物聯網基層，借助于傳感裝置采集流量、水質以及水壓，該功能利用物聯網通信組件實現，連接物聯網基站，有效提高終端控制性。網絡層包括核心網絡和物聯網基站，能夠將終端信息傳遞給核心網絡，并進行終端信息的處理以及交互。轉發給物聯網平臺進行信息處理。核心網絡包括網絡供應和獨立組網形式，核心網絡采取多網元結構，共同構成網管節點。物聯網平臺收集終端數據，通過對數據需求和類型的分析，發放給應用服務器，實現對數據的管理。應用服務器連接功能負責采集轉發數據，并用于對設備的管理。管理功能能夠收集并儲存數據，進行數據分析以及調用。查詢功能能夠感知、控制并進行診斷。應用層作為最上層，負責實現用戶需求，控制能力超強，根據需求利用IoT技術開發功能。

2.2 主要功能

為了讓智能水表采集數據并進行智能控制，一般需要配置SIM卡用于儲存識別數據。物聯網系統購買SIM卡，設置對應的識別碼、鑒權算法、秘鑰等信息，生產SIM卡。水務部門要提出SIM卡購買、激活、鑒權以及上電等需求。水務部門負責智能水表實際應用，運營方負責運維業務。智能電網對物聯網數據傳輸的要求高，通常情況下傳輸方案包括UP、CP兩種。CP方案優勢在于摒棄無線傳輸數據，數據傳輸借助于NAS信令處理，實現連接物聯網。UP方案結構特點和LTE有相似之處，管理無線資源有恢復宣貫功能。在沒有數據請求時，可以臨時懸掛用戶數據，產生數據可快速恢復功能。

2.3 功能實現

在傳統水表基礎上，添加一體化芯片，不容易受到水銹影響，保持探測精度。加裝金屬膜葉輪能夠通過傳感裝置轉變為傳輸電信號，運送至微處理器接口，計算得出流體流量。內部安裝定時狀態機對信號自動探測，微處理器處理信號，在加密處理后封裝至報文中，最終通過NB-IoT模組向外發送。供電采取鋰電硫酰氯電池，以8.5Ah容量持續運行10年[2]。NB-IoT模組使用BC95硬件，功耗率，接收靈敏度高，可以向云平臺傳送數據。云平臺則使用運營商基于NB-IoT網絡建立的物聯網云平臺，終端在該平臺注冊可以通過HTTP、MQTT以及CoAP協議實現及時傳送數據。NB-IoT智能水表在水務管理中心均具備對應的服務器，負責對終端的管理，客戶端采取B/S架構基礎上的Web網頁系統。最后需要對NB-IoT技術測試，達到良好抄收成功率后可進行應用。

2.4 優點

NB-IoT工作頻段采取授權頻段，在復雜接線環境中，信號穿透能力強，能夠避免通信不通暢問題，頻段覆蓋的范圍更廣，有利于控制建設網絡的成本。同時NB-IoT傳輸數據更加穩定，在統一規劃下能夠抵抗外部干擾，可靠性高。電信運營商對NBIoT高度重視，借助于當前網絡條件，建立物聯網系統具備基礎條件。通過建設專用網元，能夠和移動網絡隔離，實現防御外部攻擊的作用，能夠對終端訪問權限進行控制，隔離水務部門網間，保證物聯網安全性。建立虛擬專用網絡方便客戶訪問智能水表內網，獲取有用信息。物聯網平臺適應性高，協議靈活，面對數量龐大的終端，能夠在一個協議上進行入網終端的控制。由于采取開放式應用程序，建立水務上有突出優勢。利用物聯網，水務部門對智能水表終端具備感知、控制和診斷的能力，客戶也可以自由查詢水表終端狀態，提高交互的便捷性。

3 結束語

綜上所述，在智能水表中應用NB-IoT技術具有與突出優勢，有利于降低功耗、提高安全性，保證用水計量的實時監管，提高了供水公司和客戶的便捷性。未來還需要進一步融合云計算、大數據技術，提高水務管理效率，為客戶提供更人性化服務。