NB-IoT水氣熱物聯網傳感器應用研究

楊陽 曾璐

武警廣西總隊 廣西 南寧 530000

引言

在萬物互聯網絡中，窄帶物聯網是一個重要的分支，其構建于蜂窩網絡消耗的帶寬約為180KHC，能夠直接部署在GSM中，可以使部署成本降低，實現平滑升級。它屬于當前電子通信領域中的一個新型技術，可以支持低耗設備連接廣域網的蜂窩數據，所以也叫低耗廣域網。其聚焦于低功耗，在物聯網市場廣泛覆蓋，屬于全球均可廣泛應用的技術，覆蓋范圍較廣、速度快、成本低、耗能低，架構優。其具有良好的應用前景，相對于電信運營商來說，智慧醫療、智能家居等物聯網應用將產生連接，超過人與人之間的通訊需求，在智慧城市建設中應用NB-IoT能夠實現覆蓋面積廣，支持連接，且具有更低的功耗和模塊成本，預計企業單個連接模塊低于5美元[1]。為了滿足當前新的時代背景的發展需求，有必要加強創新計量技術，使現有的國家標準進一步提高，對檢定的手段進行調整和改進。利用NB-IoT技術，結合現代化的通信技術，對于物聯網的水汽量傳感器進行設計。實現計量的數據化和數據的生活化，以NBIoT水氣熱物聯網傳感器全面替代水表、氣表、熱表，實現和云平臺之間點對點的通信，并且對本地各種的中繼設備進行拋棄，對通信協議進行簡化，能夠有效地減少運營成本和安裝空間，促進企業現代化水平的提高，同時增加企業的效益和管理水平。

國家電網中心推動了“四表集抄”。例如，住建部對遠傳抄表的行業標準進行了修訂，電力聯合會也推出了一些有關電水氣熱能源管理的新的標準，人們越來越關注的是通信技術以及通信協議、通信通道等內容，對于電水氣熱等計量技術的提升卻比較忽視[2]。許多人將各種類型的通訊方式嫁接到傳統的計量商品上，然而在人們的視野中逐漸走進了NB-IoT技術，這與其他技術相比具有明顯的優勢。對于行業之前所做出的一切成果，似乎也沒有那么重要。在通信技術行業的競爭將重新成為計量技術創新。本文介紹了計量產品有關標準及檢定規程存在的問題和解決方案。

1 傳統的水表、氣表及標準存在的不足之處和問題

以往的電氣水表采用的都是機械原理，所以它能夠測量的范圍具有一定的限制性。例如水表，通常機械水表的測量范圍在50L/H到4000 L/H之間，誤差較小，但是存在的問題是從限定的流量范圍沒有能夠確定的誤差。若用戶經常使用該范圍內的水量，水表無法對實際用水量進行準確的反應，如果用戶在50L/H到64L/H的流量范圍內用水誤差也比較大。即便是在2%誤差范圍以內用水，由于供應公司要求水表單位按照1.5%的誤差來提供產品，這樣會使公平交易的原則受到破壞，以往的水表采用的制造外殼結構多是鑄銅和鑄鐵，在這些金屬的冶煉過程中會消耗大量的電量，同時也污染了環境，違反了國家節能減排的政策。不適合長久發展。傳統的水表具有較大的安裝空間，且重量大、體積大，加上結構性的因素造成其具有較差的抗冷凍能力，在寒冷地區使用會出現大面積凍裂的情況，受到低溫的影響，在皮膜式燃氣表低溫狀態下，將降低皮膜的靈活性，對正常的計量產生影響。當前國家標準只檢定了指定的幾個檢測點，其合理性還有待提升，由于使用者不會在指定范圍內來進行用水，用氣，而這幾個點都可以利用一些特殊的渠道來提升合格率，但用戶在實際生活中的用水和用氣量會感覺計量不準。但技術監督局測試又無法測出真實的結果。這樣的一種矛盾情況，主要是由于當前的相關標準和規定缺乏科學性和合理性，檢定規程不合理導致的，需要立即改革創新。技術工業公司要改變當前的情況，對于造成的水電氣熱貿易不公平和不合理現象，要在體制上加以完善，促進其改進[3]。以往的水表和氣表的誤差比較大，且測量范圍較小，已經無法滿足實際需求。但隨著當前電子計量技術的不斷發展，機械氣表和機械水表也將逐漸退出歷史舞臺。

2 管道供水、管道燃氣計量電子化勢在必行

圖1 折射式超聲波無限水表內部結構

當前我國的科學技術、電子技術發展較快，在電子技術應用在電能計量和水量計量等領域中，可以充分實現電子技術的優勢，并為行業帶來新的活力。有相關研究發現，在超聲波技術的應用下，水量、氣量測量技術的測量范圍得到了顯著的提升，同時測量誤差也進一步降低，是未來的管道供水供到燃氣劑量的一種新的方式，具有良好的應用前景。但當前的超聲波氣表主要采用的是折射超聲波技術，為了降低損壞，都會使用折射聲波技術。但這會帶來一系列的問題，比如說信號衰減大，對于結構尺寸有較高的要求，且容易造成信號衰減，主要是由于折射聲波技術采用的是折射聲路，也就是上下-左右-下上的結構。由于無法有效提升折射式結構造成的水氣劑量指標，所以要進一步進行創新。這就出現了旁路對側超聲波計量技術。經實驗發現，旁路對側超聲波計量技術的超聲波水量氣量測量范圍進一步擴大，且計量的誤差更小，對射信號有著更大的強度和冗余量，在使用很多年之后，依然具有較高的分辨率和抗干擾能量，不會出現以上的問題，如結構信號衰弱。結構等具有較高的精度，且安裝過程相對簡單。其技術特征是兩個換能器能夠相對放置，換能器的軸線與管道正常軸線相偏離。

圖2 旁路對射超聲波水、氣、熱計量結構原理

在完成創新的同時，也要創新設計方案。盡快建成計量、控制、通訊等功能于一體的芯片集成。

結合技術創新的方案，可以研制出氣量物聯網傳感器以及水量物聯傳感器。并將用戶的水表和氣表轉化成傳感器的方式。

3 水量傳感器和氣量傳感器的性能指標和檢定方式

當前，我國水氣表的國家相關鑒定流程和標準無法滿足現有的電子式水表和氣表的制造和檢定，所以提出了一些新的標準及檢定方式。

3.1 現行標準和檢定方法

當前現有的Q3和Q12個指標標志水表產品性能，且Q2除以Q1等于1.6，Q4除以Q3等于1.25，也就是Q1到Q2的誤差在5%左右，而不包括Q2。Q2到Q3的誤差在2%，也就是兩級誤差。氣表指標和水表指標比較相似，只是采用的表示符號為Qmax和Qmin以及Qte，誤差為1到1.5g左右。當前的檢定規程除了以上的幾個點以外，還有一些輔助點，一般為七個檢測點。

3.2 對產品指標進行創新

測量下限Qmin，始動流量和測量下限具有相似性，水量測量為4L/H，燃氣為3L/H，測量上限QMaX最大通流量和測量上限相等，水量測量上限要低，大于5000 L/H，氣量測量上，現在4000L/H以上測量精度，水表水量全程一級精度，氣量為一級精度，防護等級IP68。安裝結構有只管是水汽量，物聯網傳感器和標準水表結構以及130毫米標準的燃氣表接口。

3.3 產品的檢定方法

我們將采用隨機鑒定的方式來對產品的計量性能進行檢定和驗證，這樣可以避免現有標準故點測試造成的不科學情況。電子式的計量產品，若根據國家現行檢定方法和相關標準來進行鑒定，那么很容易通過程序修正，對確定的檢測點進行自動修正后使其合格。自動修正這樣產品很難不保證出現質量部問題。

首先是下限流量精度和上限流量精度，這兩個點是必須要測量的，用戶可以按照訂貨給出某個值，如4000L/H。

其次是隨機數發生器，對計算機流水程序進行編制，對下限流量點進行設定，同時要設定上限流量點，程序以L/H的步長進行滾動，從下線流量到上限流量，之后再從上線流量到下線流量，從上到下，從下到上的進行快速的滾動。

第三是隨機抽檢，要想顯示被選中的流量點，需要按下隨機數發生器程序的空格鍵，比如2653L/H作為選中流量點，之后進行測試，結合檢定機構對產品的檢測合格率，選取若干個測試點，對產品的質量是否符合一級或二級精度要求進行測量，防止人為作弊情況的發生。

第四是對防護能力進行鑒定，把產品放在水槽中，水的深度約為1.5m，48h之后將產品拿出，在水中設備的各項指標顯示正常，可以取出測試，說明設備滿足相關的指標要求。

第五是防凍測試。防凍測試主要采用金屬或PVC的長管道進行測試，長度約為兩米左右，將長管道分別連接水量傳感器的進水端和出水端，并在管道中注滿水，將兩個開口進行封閉，盤旋管道，將管道放在零下十攝氏度的冷柜中，24h后拿出，觀察水量傳感器是否有爆裂的情況，若水量傳感器無異常情況，且沒有爆裂，控制器顯示正常，再將水量傳感器放在五攝氏度的環境溫度中解凍后進行測試，應符合上述要求的相關指標。

最后是電磁輻射測量，選擇場強移除了規定的無線信號以外，不應收到其他的無線電輻射信號，且收到的無線電信號要滿足國家無線電管理委員會相關規定指標，除了能夠接收到國家相關規定的無線信號以外，不能收到其他的無線電輻射信號為通過電磁輻射測試。

4 NB-IoT點對點通訊和建設第三方服務平臺

當前，移動、聯通、電信統運營商相繼部署了NB-IoT基站。三大運營商平臺應用NB-IoT的競爭已經開展得如火如荼，這為后續的各種應用打下了良好的基礎，到時將會深度覆蓋NB-IoT。NB-IoT的成本較低，功耗較低且連接海量，優勢普遍，將受到充分的推廣。跨越通信技術也會帶來物聯網傳感器推廣的技術革命，推動物聯網技術在我國的發展。結合當前我國通信技術的發展現狀，未來最主要的通信技術就包括NB-IoT技術，我們將實現GSM模式的點對點通訊，但是由于當前3G退出網絡，而應用NB-IoT技術將會為計量產品的創新迎來全新的選擇和機遇。因此，要想實現點對點的通訊，不需要涉足本地的終極，這可以大大降低運營成本和費用。當然，和移動、電信、聯通緊密合作，對盈利模式進行創新，也是在大家都可以使用NB-IoT下的重大研究熱點問題。對盈利模式進行創新，而“四表應用”是NB-IoT技術的最佳切入點。所有的行業都無法與本行業相提并論，主要是由于水電氣熱，公共事業屬于國計民生的公共行業，擁有龐大的用戶量，而應用NB-IoT技術可以和水汽量物聯網傳感器互相綁定，實現點對點與云平臺通訊，能夠促進日后第三方服務平臺的建立，并提供了良好的技術基礎。要想全面覆蓋水氣熱行業，智能儀表還需要經歷很長的一段時間，因此可以通過第三方服務平臺的建立，利用融資租賃的模式來破解這一問題，這也是一個可以考慮的方向。

將NB-IoT水氣量物聯網傳感器和大數據云平臺作為紐帶。面臨第三方服務改革和應用NB-IoT的背景，建立物聯網服務平臺，為公共事業、水電熱氣貿易引入第三方，通過合作來建立公平交易體系改革服務。

5 結束語

綜上所述，水汽量物聯網傳感器創新技術和NB-IoT通信技術的完美結合，能夠使點對點的通訊問題完美破解，還能夠促進產品測量范圍及測量精度的提升，利用靈活的管道安裝方式，可以避免空間的占用，對NB-IoT信號強度進行提升和優化，減少運營成本，促進產品可靠性的提高。通過建設第三方服務平臺，能夠為我國的供水、供電、供氣現代化提供發展思路，為相關的行業和公司及廣大用戶提供優質的服務，促進我國公共事業電水氣熱貿易化現代服務的發展。