解析NB-IoT智能水表在智慧水務中應用

林俊

廈門市政水務集團有限公司，福建廈門，361000

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，各個產業逐漸實現自動化和智能化。智能水表是近年來發展迅猛的一種新型水表，是微電子、信息、傳感等技術的結合體。根據“智慧水務”要求，從過去的“粗放”到“精細”的轉變，供水企業必須利用現代技術，改變“水”的管理方式，提升供水服務質量[1]。NB-IOT智能水表的應用，不僅可以提高水廠的工作效率、節省人力，還可為輸水系統的漏損提供相關的資料，實現更加科學、合理的經營。

智能化供水系統的信息化是通過云技術將海量的水數據接入，通過物聯網精確控制與大數據分析，為管理者提供更準確的方向與依據。智能水務一體化系統將發揮其本身的優越性，對供水系統進行有效的改造，本文分析NB-IOT智能水表在智慧水務中的運用。

1 水表發展史

1.1 第一階段：傳統水表

（1）工作原理：利用自來水流量的壓力，使水表內的齒輪旋轉，水表上的表盤上的齒輪驅動指針旋轉，計算出用水量。

（2）功能特性：一般水表的價格較低，計量精度能夠滿足計量要求。

（3）缺點：需要員工上門抄表，容易造成漏抄、錯抄等問題。

1.2 第二階段：IC卡水表

（1）工作原理：通過傳感、微電子、智能IC等技術運用，實現用水量的測量、傳輸和結算交易。

（2）功能特征：用水量的記錄和電子化顯示按照約定用水量進行自動控制，實現階梯水費計算的自動完成，實現數據的自動儲存，可實現自動檢測、異常提示以及預付費。

（3）缺點：①IC水卡因為沒有聯網，所以在實際應用中會有一定的私密性，會出現一些作假現象，有些人會因為使用偽卡而使計數器失效；物業公司如果無法對其進行有效的監督，將會給業主帶來巨大的損失。②由于無法確定各表格的用水量，造成了統計、調度和平衡等問題。③IC卡水表依賴于電池，極易產生較大的干擾，若電量用完，無法辨識使用者的用電量。對電閥也無法正確控制，若使用者過度使用水源，亦無法有效監測。

1.3 第三階段：智能水表

智能水表具有精確、可靠的傳感器和信號處理功能，內置計算機和運算法則，具有各種接口和電子控制執行器，可以對流量參數進行監測，實現數據、通信和顯示。其是一種新型的電子水表，具體分為2大類，即帶有電子設備的機械儀表和電子儀表。其中，帶有電子設備的機械式水表，分為預付式水表和遠程式水表，利用常規水表來測量流量，并將傳感器安裝在水表讀數盤上或者齒輪上，將原水表的機械讀數轉化成電信號。再進行具體的采集、傳輸和儲存，并按照結算的交易模式進行自動化和手動控制[2-3]。因為基本儀表采用的是速度型，所以帶有電子設備的機械式水表是一種速度型水表，其特點是對讀數模式、顯示機制進行改進，并加入了預付費和遠程傳感。但其測量裝置和傳輸模式仍采用機械式，其精度等級達到2.0，與一般機械儀表相同。作為2.0時代的智能水表的主要產品，在流量傳感部件沒有機械活動部件的情況下，儀表流量傳感器采用電磁、超聲、射流等非機械部件的流量傳感器，具有測量范圍寬、精度高，工作穩定可靠、時間長，壓力損失小等特點。

（1）工作流程：抄表人用遙控抄表方式發出抄表命令，由通信模塊接收命令，并將資料傳輸至伺服端，由抄表人進行抄寫。

（2）功能特性：自動遙控抄讀、預付費、數據報表存儲。同時，包含防破損、防倒裝以及防滴漏功能。

（3）常用的有線遠程通信和無線遠程通信，傳統的無線遠程通信方式是采用光電直接讀取遠程通信方式，而采用NB-IoT、LoRa、GPRS等遠程通信方式。

2 智能水表使用原則

2.1 計量性能

在設計方案時，將其原理與構造型式結合，以保證水表各個層次的性能，關鍵在于以下幾個因素。①電動機械變換設備。這是影響智能水表計量性能的第一個因素，必須滿足控制面板功耗的設計規范，選擇硬件配置的磁-雙十簧管采樣方式，采用成分識別和延遲識別技術，對采樣數據進行識別，消除抖動效應和磁場效應，從而進一步改善儀表的測量穩定性。②電子控制閥門。這是影響智能水表測量性能和系統可靠性的重要因素。電子控制閥的結構對儀表的測量性能造成很大傷害，通過水表計量單位的水，由于流路的變化，會在水表中產生二次流。在二次流足夠強，并且與儀表測流元件的旋轉方向相符的情況下，二次流提升測量元件的速度，減少測量數據的誤差。③電池電源的特性。電池電源也會對智能水表的性能產生影響，電池的技術性能固然重要，但其核心是要有一個與整個儀器的整體性能相符的設計思想。在智能儀表的設計中，要充分考慮其負載、充電、放電等性能[4-5]。

2.2 DMA分區

DMA分區計量管理，是供水單位按照供水管網進行劃分，建立覆蓋“出廠計量-分級計量-用戶計量”的管網流量計量傳遞體系，實現網格化管理，能夠精準查漏檢漏。分區、計量、漏檢是DMA技術3大工作重點。在各分區的進水管、出水管安裝閥門、流量計、超聲波大表等對流量進行實時監測，對夜間流量最小化分析，從而及時發現、排查管網的損壞部位，降低漏損。

（1）減少漏損率，減少產銷差異：智能水表定時、定點、實時接收數據，為區域計量、水平衡測試提供準確、可比較的數據支持。通過對某區域總分表進行交叉分析，經統計分析后，發現該處漏失率過高，可以及時進行泄漏檢查，更換管線或閥門，或進行改進，提高整體工作效率，降低人力、物力消耗。

（2）幫助及時維護。智能水表管理系統可根據用戶的異常情況及時進行抄表，及時發現管網或智能水表的異常情況，及時發出工作指令，安排檢查或維修人員到現場解決問題，降低管道檢查的工作量，并在同一時間內及時向有關用戶報告問題，降低水資源的損耗。

2.3 用戶服務及時性

通過物聯網、大數據、云計算等技術，構建“智慧水務”系統，已成為供水企業的發展趨勢，遠程智能水表是其中的核心部分，可以通過數據的傳遞，對住戶的用水量進行實時監測，及時發現問題。在智能遠程小表改造中，對日結數據和瞬時數據進行分析，及時發現故障，提高維修質量。

3 NB-IoT智能水表在智慧水務中應用

3.1 智能水表結構

本系統利用NBIOT的蜂窩網絡技術，實現了ZigBee子結點與主結點之間的數據傳輸，向協調器發送數據，由中間協調器對信息進行接收和處理，協調器利用NBIOT與公共網絡服務器進行通信。用戶可以通過關注用戶號訪問服務器、登錄網頁等方式查看用戶的飲用水情況，從而實現對用戶的多個飲水點的水量和水質進行實時監測，并為水量較少、水過期用戶發送提醒信息[6-7]。

ZigBee的子結點均具有較低的功耗，使用干電池作為電源，ZigBee間通過多播進行通訊。既有廣播的優勢，又能降低協調程序的負荷。同時，將整個ZigBee網絡分成2個階段：初始化和結點加入。在此基礎上，節點的入網方式主要是與協調器的接入，或者是通過現有的母節點。ZigBee無線組網功能是將傳感器發送的信息以無線的形式發送給協調器。

利用串口接口將ZigBee協調器與STM32相連，完成對數據的處理。該單片機采用多個串行接口，通過單片機的串行接口將其與 NBIOT相連，從而降低硬件設計的復雜性，減少程序編制難度，確保可靠的信息傳遞。

ZigBee協調者僅負責接收到的數據的串口轉發，不會處理數據。呼叫函數識別、處理、串口傳送至STM32。STM32單片機的主要功能是進行MCU的初始化、外部設備的聯接以及數據的處理。該方法首先對系統進行初始化，建立了各設備的通訊，并對ZigBee協調程序發出的數據進行處理，并將這些數據傳送給NBIOT。NBIOT的主要功能是向服務器傳輸來自STM32的數據。這個過程就是對與STM32進行通訊的串行接口進行初始化，然后等待數據的接收，然后發送到服務器。

3.2 主要功能

NB-Iot智能水表系統是由水表、集水器、傳輸線構成的遠程抄表系統，采用微機技術、數字通信技術和水表計量技術相結合，實現計量、數據采集、處理于一體，有利于城市用水的綜合化處理，取代了傳統手工抄表，實現抄表的智能化，進而優化工作效率。同時，NB-IOT智能水表自帶采集、電閥、電源、閥控以及智能卡讀卡[8]。該系統的主要作用是方便進行水費的交易，達到零欠費，可以有效地改善水廠的運行狀況，但其缺點是沒有辦法對用戶的用水進行實時監測。由于不能準確地計算出每個地區的用水量，同時也會影響到產銷差率的統計。因此，IC卡水表的用戶以物業公司為主，而遠傳智能水表的用戶則是自來水企業、水務局等單位。

NB-Iot智能水表采用了時差法進行流量測量，即在測量管道（管道）的上下兩端各裝有一個超聲傳感器，以實現超聲信號的雙向傳輸和接收。由于超聲波信號與水流信號的重疊，所以在順、反向2種情況下，聲波的傳播速率是不一樣的，所以不同傳感器所發出的超聲波信號在水中的運動時間也是不一樣的。然后將其轉換為流量，由此可對其進行計量。在流量管的頂端有兩個傳感器，A傳感器將超聲波信號（順流）發送給乙傳感器，而乙傳感器將超聲波信號（反向流動）發送到 A傳感器，在發送期間，順流和反向的超聲信號在傳送期間產生了一定的延遲，當校準后的管截面和標準的管長時，利用積分儀上的運算芯片來計算。

3.3 功能實現

NB-IoT智能水表具有預付費的特點，同時具有遠程數據傳送和監控的能力，可有效地解決熱水、冷水、純凈水等遠程抄表、收費、監控等問題。該技術具有低功耗、大連接、大覆蓋等優勢，可以用于2G，3G，4G網絡等領域，并將其用于WAN通信技術。NB-IoT智能水表利用互聯網技術，實現水信息的遠程監控，為供水企業開創了一個全新的智能化水表時代[9]。

3.4 優勢分析

NB-Iot智能水表是一種完全電子水表，利用超聲波時差原理，利用工業電子元件制作。相對于機械式水表，其測量精度高、工作可靠、測量范圍大、使用壽命長。不需要任何可移動的零件，不需要設定參數，可以隨意地安裝。NB-Iot智能水表在測試管線中沒有任何運動和阻流部件，不會造成任何的磨損和壓力損耗，具有很高的靈敏度，可以探測到流動速度的細微改變。同時，對被測介質的要求很低，量程比很大，而且NB-Iot智能水表結構簡單，易于維護，特別適用于民用和工業領域的測量。此外，物聯網智能水表以機械水表為基礎，加入NB-IoT遠程傳輸模塊組成的智能化水表。產品的計量性能達到飲用水水表的國家標準。

通過比較，以前的遠程電子水表，有些是通過長距離傳輸（布線困難），有些則是通過小型遠程通信（需要安裝集線器），也有CDMA、GPRS等技術，但都有一定的缺陷，所以從整體上來說，物聯網智能水表是一種很好的遠傳水表。物聯網智能水表采用全無線技術，無需一條纜線，即可實時監測日常用水量，并隨時了解蓄電池的電壓狀況。內建鋰電池，運行時間長達6年，覆蓋范圍廣，信號好，不需要再安裝集中器，準確度95%以上。

4 結語

隨著時代的發展，智能水表將更加準確、電子化、物聯網化，NB-IOT智能水表在未來的供水調度、管網滲漏檢測和定位中將起到重要的作用。供水企業應本著經濟合理、適用的原則，結合生產實際，合理選用各類智能水表，以達到科學、合理的管理需求。同時，水表行業要緊跟時代步伐，緊跟時代發展，注重水表產品和技術的變革，注重應用物聯網技術。為適應社會需要，研制出更加簡便、易于使用的智能水表。