基于CAT.1技術的無線遠傳水表探究

陳海華，王 洋，柴華芳，毛德興，陳富光

（寧波水表（集團）股份有限公司，浙江 寧波 315032）

0 引言

水表的發展是技術長期演進，不斷完善的過程。由于社會進步和人們生活水平的提升，傳統機械水表已經無法滿足日益增長的用水計量多樣性的需求，并且傳統機械水表存在需要耗費大量人力手動抄表，人工成本高，無法監控用水情況等缺點，因而機械水表逐步發展到帶電子裝置的機械水表，再到仍在不斷迭代的電子水表。

水表產品已不僅是單一的用戶用水計量儀器，而是在計量準確的基礎功能上，附加了對水務信息感知和采集的功能，在水計量儀器的基礎上更成為了供水管網中不可或缺的一環[1]。智能水表可自動抄表，具有提高數據準確性，減少人力抄表造成的資源浪費并提升工作效率，周期自動上報數據等顯著優勢。目前基于NB-IoT 的智能水表被廣泛使用，實現了便捷抄表，采集各種數據及遠程控制閥門等功能，但其局限性在于覆蓋還主要集中在城市，信號還不夠穩定及只能傳輸少量數據等。因此，針對以上不足，提出了基于CAT.1 的無線遠傳水表的設計方法。與NBIoT 網絡相比，CAT.1 無論是在網絡覆蓋范圍，還是在數據傳輸速度和低延遲方面均有明顯優勢，其不僅可以傳輸更大的數據，而且在4G 覆蓋的區域均可應用。

1 無線遠傳水表技術的發展

隨著無線遠傳技術的不斷發展，水表被賦予了更多的意義，對用戶用水量的記錄成為水表的一項基本功能，而對用戶水務信息的采集和管理成為一項重要進階功能，比如漏損的監控與報警，對數據的存儲和處理等。無線遠傳水表中最重要的部分之一即為數據傳輸方式。數據傳輸方式從有線傳輸發展到如今的無線遠傳，逐漸解決了有線傳輸建設費用高昂，發生問題時很難找到故障點，新增終端設備時需要對線路進行重新規劃并布線，浪費大量人力和物力的缺點[2]。無線傳輸水表的數據傳輸的發展經歷了從GFSK、GPRS、LoRa 等，再到近年被廣泛使用的NB-IoT網絡的過程。近年應用廣泛的數據傳輸方式及特點見表1。

表1 數據傳輸方式對比Table 1 Comparison of data transmission methods

NB-IoT 作為物聯網中低速傳輸場景被廣泛應用的技術，相較其它幾種傳輸方式具有組建方便，部署靈活的優勢，有良好的擴展性和適應性，傳輸速率可支持120kbps以上，完美適配低速率傳輸的市場需求。其具有海量連接的特性，NB-IoT 可保證在同一個基站的前提條件下，接入數量是上述無線傳輸方式的50 ～100 倍。同時，NBIoT 網絡覆蓋區域范圍廣、覆蓋能力強，目前在全國的重點城市和鄉鎮及以上地區已經實現連續覆蓋。不僅是為地上的建筑設置物聯設備終端接入提供強有力的保障，更能為地面以下的建筑數據傳輸提供可靠保障[3]。NB-IoT 具有兩種節電模式，即PSM 與eDRX，符合其低功耗的特性，適用于供電方式為鋰電池且數據傳輸頻次中等的環境，如水表、燃氣表、點表等抄表業務類型，此類場景中數據傳輸的頻次一般為一天一次至幾天一次[4]。基于NB-IoT 網絡的智能水表憑借其鏈接能力、覆蓋范圍、芯片成本等優勢，逐漸占領了傳統機械水表的市場。

然而，目前應用廣泛的NB-IoT 網絡并不是完美的。它的局限性在于：其低功耗特性致使每次只能傳輸少量數據；除通信模塊外還要支付運營商收取的運營費用；相當一部分區域的NB-IoT 網絡覆蓋能力無法滿足負載2G、3G 加速退網的遷移需求；NB-IoT 僅適用于低速率傳輸的場景，面對需要中速率傳輸的場景無能為力，只適用于傳送少量數據并且處于固定狀態的情況等。因此，基于以上問題，提出了將CAT.X 網絡應用于無線遠傳智能水表這一設計構想，CAT.X 比NB-IoT 在通信能力和網絡覆蓋方面有明顯的優勢，可有效解決NB-IoT 網絡存在的問題。

2 CAT.1網絡

CAT.X 是4G 通信LTE 網絡下用戶終端類別的一個標準。根據定義，該標準共分為10 個等級，CAT.1 作為匹配中低速率數據傳輸場景的最低參數配置，適用對低成本有需求的4G 終端設備。

目前，4G 網絡基本完成全國覆蓋且全面支持LTE CAT.1、CAT.4 終端。CAT.1、CAT.4 通信速率優勢明顯，其具有速度快，大幅度壓縮通信時延，通信能力相對較強的特性，在中、高速無線通信領域發揮著重要的作用，可對現有LTE 網絡進行無縫接入，不需要對基站的軟硬件進行升級。CAT.1 擁有與CAT.4 相同的毫秒級傳輸時延，以及支持100km/h 以上的移動速度。但與CAT.4 相比，CAT.1 具有一定的優勢。就模組成本而言，CAT.1 進行優化整合，集成程度高，芯片硬件設計構成并不復雜，相關硬件成本不高，相比CAT.4 的成本要低30%；就功耗而言，終端側的芯片復雜度降低，能夠有效降低功耗，CAT.1 模組在空閑模式下和工作模式下，功耗均比CAT.4 降低了50%。LTE CAT.1 具有集合性能優越、功耗低、成本下降等優勢，較好適配于中低速傳輸場景，同時適于對數據傳輸率和穩定性有需求的物聯網終端。

CAT.1 因其集合了傳輸速率中等、延時低、覆蓋范圍廣、較低成本等特性而占領了三分之一市場。和傳統CAT.4 模組相比，CAT.1 具備低成本和低功耗的優勢。它擁有與LTE CAT.4 相同的毫秒級傳輸時延，支持100km/h 以上的移動速度。借助已成熟的4G 產業鏈，CAT.1 作為低配版4G，價格已經和CAT.4 拉開了差距，具有相當大的成本優勢。通信技術特點對比見表2。

表2 通信技術特點對比Table 2 Comparison of communication technology characteristics

3 基于CAT.1的智能水表設計

3.1 功能及設計需求

1）當設備遇到故障時，根據故障類型可及時或在下一次上報時向系統上報故障信息。報警類型含：過流量報警、模塊分離報警、磁干擾報警、逆流報警、過流報警等，根據緊要特殊情況可以設置成實時報警。

2）實時的流量信息。例如：正向計量、反向計量、瞬時計量等。數據為每半小時采集1 次，24h 的48 點數據。利用數據處理平臺對數據進行分析，并用以各個時段總表與分表的比較。

3）近端對水表參數進行設置。時間可以同步，提高分析的準確與可行性；按需設置適合的數據上傳周期，周期越短實時性越好，但是成本也會增加，合適的周期很重要。周期上報可設定為記錄每日48 組數據（即半小時采樣一次），為分析用水習慣區分高峰和低谷，判斷用戶室內是否存在漏損情況，以及為區域產銷差提供數據支撐。

4）具備可維護性和實用性。可以近端對水表進行升級，讀取所需數據；也可以在云平臺進行遠程操作，隨時查詢用水數據和水表參數以及開關閥門的控制等。

5）確保與CAT.1 服務平臺的穩定快速通信，保證通信安全和數據加密，同時能夠適應任何應用場景。

3.2 基于CAT.1的智能水表架構設計

基于CAT.1 網絡的磁阻水表硬件部分主要由主控模塊單片機、外部CAT.1 傳輸模塊、電源電壓檢測電路、磁阻模塊、電源和電源控制電路組成，并且可以根據水表是否帶電動球閥，分為磁阻分體水表和磁阻閥控水表。單片微控制器使用STM32L0 系列單片機，采用專門設計的電源電壓檢測電路來檢測電池電壓。智能水表的工作數據通過CAT.1 模塊發送給水務公司，因此可以便捷高效地查詢水表的用水量、反流閥值，及時間、周期水耗等數據信息。該方案的硬件電路設計圖如圖1。

圖1 方案設計圖Fig.1 Scheme design diagram

3.2.1 主控模塊單片機

基于水表需要長期使用的這一特性，需要選擇一款低功耗的單片機作為主控制部分，故本設計選擇STM32L0系列單片機，其工作電壓范圍為1.65V ～3.6V，可快速從低功耗狀態喚醒。該部分主要功能為對電源電路的控制，使其在低電壓情況或是流量高于閾值時進行報警；每半小時進行一次數據采集，并通過CAT.1 通訊模塊對數據進行上傳。

3.2.2 機電轉換模塊

本設計可采用鎖存型磁阻機電轉換方式，利用雙磁鋼配合兩個成90°排列的TMR1208 鎖存型磁阻，解決了單磁鋼不能逆向計數的這一問題。雙極磁開關的N 極和S 極轉圈，形成一個高低電平的脈沖，兩路磁阻組成兩個高低電平脈沖，形成四相四態。當雙磁鋼正向旋轉磁阻根據磁場的變化交替產生開關信號時，形成01 00 10 11的脈沖信號；當雙磁鋼反向旋轉時，磁阻產生脈沖信號的順序發生變化，形成10 00 01 11 的脈沖信號。主控芯片采集這些脈沖信號，以便于判斷水流正反方向，實現正、反流計量。其中，輸出信號如圖2，兩個磁阻和磁鋼的安裝方式如圖3。

圖2 輸出信號Fig.2 Output signal

同時，為使占空比不受磁場的影響，讓水流量的計量更加準確，鎖存型磁開關傳感器輸出的方波占空比越近似于0.25，計量效果越好。此時，采用如圖3（右）所示的方法擺放磁開關傳感器，將其置于磁鋼旋轉的圓周，且最優角度夾角為90°。

圖3 安裝方式Fig.3 Installation method

3.2.3 電源模塊

為電源選擇供電電池需要考慮到許多問題，如針對水表的應用場景，水表的功能等均會對電池的選擇有不同側重。因此，在選用電池時，需要考慮最大持續放電電流、存儲能力、工作溫度范圍、鈍化、安全性等問題。

基于CAT.1 網絡的無線遠傳水表有兩種方案：一是選用億緯ER26500+SPC1520，二是定制SAFT17500×2+太陽誘電鋰電池20F。鋰亞硫酰氯電池擁有穩定的高工作電壓，滿足T4 防爆等級，同時擁有非可燃性電解液，長使用壽命，寬工作溫度等特點。該電池標稱電壓為3.6V，標稱電量為8.5Ah，最大電流輸出為200mA。在數據傳輸的過程中，由于瞬間電流較大，大于電池的最大電流輸出，因而在電路中額外添加電池電容器這一部分，借以保證在CAT.1 通信模塊傳輸數據信息時，能夠為其提供所需的電流供應。若電池存儲于高溫環境，再經歷到低溫放電時，將會出現電壓滯后的現象；當電池過放電時，會有潛在的隱患。因此，在設計時必須要注意截止電壓的設計，以避免過度放電存在的隱患，杜絕過度放電而引起爆炸的可能性。

圖4 基于CAT.1網絡的無線遠傳水表的數據傳輸方式Fig.4 The data transmission mode of wireless remote water meter based on CAT.1 network

3.2.4 通訊模塊

4G CAT.1 無線通訊模塊具備中低速率數據傳輸、延時短、覆蓋范圍廣、功耗低、芯片封裝緊湊等優點，為無線遠傳水表通信提供了充分保障[5]。水務公司技術人員通過串口在近端，不僅可以對水表的參數進行配置，如設置水表底數、IMEI 號、上報周期、IP 地址、補報次數、表地址號等，還可以對軟件進行升級以增加功能。水表根據設置的上報周期和采集頻次等，自動進行數據采集并上傳到云服務端。云服務器將數據推送至綜合抄表平臺，管理人員可通過綜合抄表平臺遠程查詢水表參數和下發指令進行開關閥操作等。整個過程和上報都建立在CAT.1 無線通訊技術的基礎之上[5]。

3.3 基于CAT.1的無線遠傳水表的優勢

基于CAT.1 的無線遠傳水表采用磁阻傳感器采集流量數據，并通過CAT.1 網絡對數據進行傳輸。就功能而言，可實現數據實時遠程抄取，最大程度降低水務公司的人力資源成本。通過管理軟件設置，無線遠傳的綜合平臺可定期查詢周期性數據，并進行高低流量的篩選；通過對比前后用水的異常情況，及時發現跑水、漏水等異常情況，有效減少漏損帶來的用戶損失和資源浪費，避免可能出現的用水糾紛；數據存儲30 天，可以為水務公司分析用水情況提供更多數據，對用水量、用水高峰和低谷進行分析和判斷，進而根據不同情況采用不同措施，盡量避免水資源浪費和產銷差。此外，根據實際需求，可以研發增加相應的功能：如對孤寡老人家庭平日的用水量數據的分析，進而有針對性地設計報警功能等。就通訊模組成本而言，在2G/3G 加速退網的刺激之下，多個地區提出創新激勵項目，以激勵企業研發CAT.1 芯片、模組、設備，推進研發能力，提升生產水平以供市場需求。大力支持CAT.1 芯片和模組的研發工作，通過推廣CAT.1 的應用，達到促進規模化產業以降低芯片成本的效果，目前芯片成本已有大幅度下調。

在數據傳輸方面，基于CAT.1 的無線遠傳水表與NBIoT 水表相比，優勢在于NB-IoT 受限于數據傳輸速度和移動速度、時延需求，CAT.1 數據傳輸速度快，兼具移動性和語音通話功能。CAT.1 支持的終端下行速率最大為10Mbps，上行速率5Mbps，可實現更高性能的連接和更低時延，保障溝通的實時性。CAT.1 適用于中速度應用場景，能傳送更大的數據量，因此本設計在集合了NB-IoT水表所具備的功能以外，利用CAT.1 傳輸數據量大的特點，對其進行了功能的擴展，采集并傳輸大量相關水務數據信息。NB-IoT 與CAT.1 數據傳輸性能對比見表3。

表3 NB-IoT與CAT.1對比Table 3 Comparison of NB-IoT and CAT.1

在應用場景方面，基于CAT.1 的無線遠傳水表與NBIoT 水表相比，優勢在于NB-IoT 覆蓋還不完善，存在部分地區的NB-IoT 網絡覆蓋能力無法滿足負載2G、3G 加速退網的遷移需求，而CAT.1 可在4G 基站的基礎上直接部署LTE 網絡完成升級。就產品推廣而言，無論國內市場還是在海外市場中，針對未被NB-IoT 網絡全面覆蓋的區域，由于CAT.1 網絡具有覆蓋率高，覆蓋范圍廣，適配4G 網絡的特性，可將CAT.1 智能水表向其進行大力推廣。

4 結束語

智能水表成為了建設智慧水務的一項重要組成部分，其功能的不斷完善和數據傳輸量的增加是一種趨勢。無線遠傳水表在節約人力資源成本、水務信息智慧化管理和水務數據智能化分析方面具有優勢，既可提升水務公司的精細化管水、供水管理能力，又可以為智慧水務的建設提供強力的技術支持[6]。

NB-IoT 智能水表已經是一項成熟的項目，有其獨特的優勢，同樣存在一定的局限性。因此，結合國家大力發展的CAT.1 網絡技術，提出基于CAT.1 網絡的無線遠程水表的設計，可以有效地彌補NB 網絡存在的短板，降低時延，傳輸大量水務信息相關數據，應用于NB-IoT 未被覆蓋的區域等。同時，針對多樣的用戶需求和不同的區域限制，4G CAT.1 網絡的無線遠傳水表與NB-IoT 網絡的無線遠傳水表可以互補搭配，應用于需求不同的使用場景。