基于窄帶物聯網的遠程抄表系統實現

【關鍵詞】NBIoT；遠程抄表系統；通信覆蓋；數據采集準確性

引言

遠程抄表系統是智能計量體系的核心內容之一，是提高能源管理水平和數據采集準確性的重要手段，傳統的抄表方式無法滿足智能抄表系統對于通信覆蓋范圍大、數據傳輸速度快、終端工作能耗低等要求，在一定程度上制約了智能抄表系統的發展。NBIoT由于其低功耗、廣覆蓋和大連接的特點，可以很好地彌補傳統的抄表方式的缺點，為遠程抄表系統優化設計提供了新的思路[1]。此文在總體結構設計、關鍵技術實現、性能測試分析三方面進行了闡述，最后根據上述過程提出了基于NBIoT的遠程抄表系統的實現路徑，以期為以后的智慧能源管理工作提供技術支持。

一、基于NBIoT的遠程抄表系統總體架構設計

（一）遠程抄表系統功能模塊劃分設計

遠程抄表系統的功能模塊劃分直接影響整體架構的清晰度與系統運轉效率。系統功能設計必須圍繞數據采集、傳輸與管理三個核心環節展開，確保架構層次分明、職責明確[2]。模塊劃分基于實際應用需求細化，形成以終端采集單元、通信傳輸單元、集中管理單元為主的功能體系。終端采集單元是抄表系統的第一感知層。系統必須在終端單元配置高靈敏度傳感器及智能采集芯片，確保各類型表計數據的完整捕獲。采集單元需集成低功耗廣域通信模組，支持數據預處理與緩存功能，增強邊緣感知能力，減少網絡通信壓力。節點設備需支持自動重傳機制與數據校驗邏輯，確保采集數據在復雜無線環境中準確無誤傳輸至中心系統。通信單元需設計網絡入網驗證機制與身份認證策略，防止非法接入風險，提升系統整體安全性[3]。

（二）NBIoT通信架構節點布局

通信架構節點布局將直接影響到遠程抄表系統數據采集的連續性和穩定性，因此在通信架構設計時，需要針對NBIoT信道的特點和應用部署密度以及抄表場景等進行分析，合理的分層布局。同時，基于小區劃分為背景的通信節點布局，將表計設備集中分布的區塊劃分成小區，在每個小區內設置一個主通信節點，并根據覆蓋盲區的數量設置相應的輔助通信節點，主通信節點負責數據匯總傳輸，在通信信號較差或者出現異常時由輔助通信節點補充通信信號覆蓋，主通信節點采用高增益天線并配備穩定的供電模塊，保證了其在廣闊地域中正常上傳數據的功能，且在各通信節點具備網絡自組織能力，當節點發生故障或通信信號變弱時能自我調整路由路徑，從而實現通信鏈路自適應恢復。

（三）數據采集流程與邊緣計算模塊配置

數據采集流程設計決定了遠程抄表系統數據處理的及時性、可靠性，對系統的最終效果起決定作用。系統需建立分層分級的數據采集鏈路，使數據從終端向管理平臺之間得到有效流轉并實現智能處理；在數據讀取終端完成初步的數據處理：數據完整性的檢查、異常值預篩檢和本地加密處理工作，避免將臟數據上傳或者導致數據泄露情況的發生；終端設備設置動態采集策略，根據表計使用狀況以及采集過程中數據變化速率的不同自動調整采集頻率，以增加數據采集的靈活度，提高能源使用效率；邊緣計算模塊作為數據處理中間層擁有異常數據初篩功能，能夠捕捉到采樣時間內突然出現的流量突變、零抄現象、異常耗能等情況，并第一時間做出標注，生成告警信息發送給中心平臺，同時，邊緣計算模塊還支持對大體量數據進行打包壓縮來提高數據上傳的速度，降低對窄帶通信的壓力。

二、基于NBIoT的遠程抄表系統關鍵技術

（一）低功耗終端設備的功能配置

終端需要配置高效的表計接口模塊，模塊可以兼容電表、水表、氣表等不同類型介質表計的數據輸出標準，能夠將脈沖、光電、MBus等多種類型信號進行相互轉換，具有智能辨識校驗功能。模塊需要滿足低電壓輸入、寬溫的特性，能在較惡劣環境下正常工作。主控單元需要帶有數據緩存功能，并能在斷鏈情況下處理數據堆積問題，以及短時間進行批量補傳；模組需內嵌重傳及分包控制邏輯，針對鏈路抖動及包丟失做出反應，且支持端到端加密。

終端設備采用高效的電源管理方法。終端設備的電源系統應當配有大能量密度電池組，加裝動態電源分配模塊，根據工作狀態自動切換能量輸出模式。低功耗狀態，僅僅保證系統的時鐘中斷能夠正常運行，在喚醒的時候即可使整個系統的功能都恢復正常，能顯著降低單位數據采集消耗的能量。終端設備要能實施遠程維護和自檢，系統要有實施遠程調整參數、更新固件等的通道，保證后期的可維護性及可擴展性。設置設備的自檢周期，在每天同一時間或同一時間段分別檢查終端的通信狀態以及采集的數據是否存在異常，將檢查到的異常事件上報。

（二）抄表數據實時采集機制設計

數據采集周期管理是實時機制設計的基礎。系統需根據表計介質特性與使用場景設定動態采集周期，如水表與燃氣表可設定為小時級采集，電表可根據負荷變化設定分鐘級采集頻率。周期調度邏輯需支持遠程動態調整，適配用能變化或系統優化策略。數據觸發采集策略需靈活配置。系統需在固定周期采集基礎上，增加事件觸發采集模式，如檢測到負荷突變、閥門狀態變化或異常流量時自動進行即時采集與上報。觸發邏輯需在終端本地處理，避免頻繁占用通信資源，提高系統響應效率。

數據完整性校驗是實時采集機制的一個重要組成，每次采集都應在采集時刻點自動生成數據摘要標識，并結合時間戳及表計編號一起做數據完整性驗證，在上傳前在本地完成異常數據的篩選和緩存管理工作，對于明顯的異常數據要進行標記并單獨存放，以保證上傳的數據質量，同時，也要做好數據的冗余備份以及補采機制。終端需要預留一定的本地存儲空間，當網絡、信號發生中斷故障的時候能夠將一定周期內的采集的數據暫存在本地，在鏈路恢復之后可以大批量地上傳數據，還需要支持補采策略中去重以及時序修復的數據功能。

（三）NBIoT通信穩定性增強技術

通信穩定性是遠程抄表系統正常運行的基礎保障。NBIoT通信穩定性增強技術需圍繞信號優化、鏈路自愈與異常恢復構建完整防護體系。信號增強技術是通信穩定性提升的首要措施。系統需優化通信模組射頻性能，采用高靈敏度接收機設計，提升弱信號環境下的數據接收能力。終端天線設計需結合應用環境進行調優，采用定向或全向高增益天線組合，提升建筑密集或地形復雜區域的通信覆蓋效果。

網絡接入優化要提高通信鏈路穩定[4]，終端應支持多小區的快速切換/重選，終端可以在主小區信號差的時候接通其它質量好的小區節點，防止連續不斷斷開連接；設置合理的重連延時、連接保持時間等參數來權衡功耗和鏈路穩定性；優化數據傳輸自適應，提升鏈路恢復的能力；通信協議棧設置數據緩存及斷點續傳，當鏈路短時間內出現中斷時，將來不及發送的數據暫存在本地設備上，鏈路重新建立后直接進行傳送；針對不同的無線鏈路狀況采用變化數據傳輸窗口大小、重發次數和重發周期等方法對整個協議棧進行改進，從而更好地保證了智能電表上傳信息的有效性。

三、基于NBIoT的遠程抄表系統測試分析

（一）通信覆蓋能力測試

通信覆蓋能力測試是評估遠程抄表系統在不同地理和環境條件下運行穩定性的核心步驟。中興通訊在NBIoT技術領域進行了深入的測試分析，驗證了其在多種復雜環境中的通信覆蓋能力。中興通訊的測試結果表明，在城市中心區域，信號強度平均為-70 dBm，信噪比為15 dB；而在郊區和山區，信號強度下降至-85 dBm，信噪比降至10 dB。盡管環境條件較為復雜，系統依然保持了較好的通信質量。通過優化網絡重選機制，系統成功改善了低信號區域的覆蓋能力，如表1所示。

從表1可以看出，經過中興通訊的優化措施后，信號強度和信噪比得到了顯著提升，尤其是在信號較弱的郊區和山區區域。優化后的系統在帶寬和時延上也有了明顯改進，尤其是在高密度環境中，數據傳輸的穩定性和效率得到了大幅提升。

總結來看，中興通訊的NBIoT遠程抄表系統通過對通信覆蓋能力的全面優化，成功應對了復雜環境下的通信挑戰。測試結果不僅證明了系統的可靠性，也為進一步為智能抄表應用提供了寶貴的數據支持和技術依據。

（二）信號穩定性測試

信號穩定性問題是保證遠程抄表系統工作的基本前提，特別是在信號復雜多變、信號易衰減易干擾的環境下工作，信號的穩定性決定了整個系統工作的優劣程度。所以信號穩定性檢測應該充分考慮各種參數，模擬真實的工作場景，通過不同的弱信號環境、信號衰減、多徑效應等實現檢測目的。

以車載通信終端（Telematics Box，TBox）的通信穩定性測試為例，由于TBox是一輛車內負責給遠程抄表系統發送數據的裝置，所以針對TBox在各個實際情況下的穩定程度測試情況也可以作為對信號穩定性的一個參考，在這一過程當中，采用衰減器對信號進行減弱，并逐步增大衰減值來測試設備在信號不斷變弱情況下表現得如何。除此之外，還涵蓋了城市峽谷、隧道、室內等信號受到阻擋的情況以及偏遠地區信號覆蓋不好等情況。

在測試階段，著重關注了TBox接收靈敏度、網絡切換性能、數據傳輸穩定性以及定位精度等一些指標；另外針對連接到TBox的外接天線上的衰減器，外接天線受衰減器的隔直作用無法正常工作導致信號接收不良的問題，在A.tmendofbanki前端為該衰減器加裝了兩個濾波器，分開射頻信號和直流信號同時傳遞，解決了通信的問題。基于TBox通信穩定性測試結果得出的經驗作為改進后的遠程抄表系統的信號穩定性方面的借鑒意見，在應用前后對比測試發現：系統對弱信號、多路徑情況改善明顯，尤其在數據傳輸穩定性及網絡切換性能上得到較大改善。

（三）抄表數據準確率測試

數據準確性是遠程抄表系統成功實施的關鍵，特別是在智能電表和能耗監測系統中。重慶某電氣有限公司通過部署華立三相智能電表和4G無線抄表系統，解決了傳統抄表方式的弊端，實現了電力數據的遠程實時監測。該項目的應用場景為工業園區，涉及多臺變壓器供電，設備分散安裝與集中安裝場合并存，傳統電表安裝和抄表面臨較大困難，如鋪線費用高，難以統一管理，且能耗數據不精準，人工核對流程繁瑣。通過智能電表采集的數據與實際設備運行數據對比，該公司實現了數據準確率的顯著提升。測試中，系統具備自動識別和排除異常數據的能力，解決了漏讀、重復讀表和虛假數據等問題，同時進行多環境測試，驗證了系統對不同類型表計的適應性，尤其是在工業園區的復雜環境下，系統能夠穩定地進行長時間數據采集。測試結果表明，遠程抄表系統的數據準確率由應用前的85%提升至99%，同時異常處理能力得到加強，系統能夠實時發現和糾正數據異常，當數據準確性低于設定閾值時，系統自動發出警報并進行修復。測試前后數據準確率的提升，重點體現了數據準確率、漏讀率、重復讀表率以及人工核對時間的顯著減少，優化后的系統在數據采集精度、穩定性和效率上均有了顯著改善，系統成功將人工抄表的時間成本和人力成本降低，同時提高了能源利用效率，幫助企業實現了更高效的電力管理，如圖1所示。

經過應用遠程抄表系統后，數據準確率提升了14%，漏讀率和重復讀表率也顯著降低，數據異常處理響應時間縮短至2分鐘，人工核對時間也減少了75%。這些數據展示了該系統在提高數據準確性、減少人工干預方面的顯著成效。中瑞電氣的案例驗證了遠程抄表系統在解決傳統電表抄表問題中的優勢，提供了更加高效、精準和智能的電力數據管理解決方案。

結語

文章深入探討了基于NBIoT的遠程抄表系統的設計與應用。通過對系統總體架構、關鍵技術、測試分析的詳細研究，驗證了該系統在通信覆蓋、信號穩定性和數據準確性方面的顯著優勢。中興通訊與重慶某電氣公司的案例分析進一步證明了遠程抄表系統在復雜環境中的可靠性和高效性。研究表明，智能化遠程抄表系統能夠有效降低人工成本、提高數據準確性，推動能源管理向更加智能化、自動化的方向發展。

參考文獻：

[1] 隋晗.基于窄帶物聯網技術的遠程讀表系統分析與設計[D].沈陽：沈陽農業大學，2022.

[2] 唐明軍.基于NBIoT的遠程智能抄表應用研究[J].通信電源技術，2020，37（01）：137138.

[3] 黃堅，呂松祥.基于窄帶物聯網的電力設備遠程監控系統研究[J].信息記錄材料，2024，25（12）：194196.

[4] 邢星，袁朝洋.面向智能電網業務的窄帶物聯網技術研究及應用[J].物聯網技術，2024，14（12）：132136+140.