NB-IoT技術(shù)在智能水表領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

譚志華

摘 要：據(jù)了解傳統(tǒng)水表有很多缺陷，例如不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、施工程序復(fù)雜、成本高以及通信不穩(wěn)定等。NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用恰好彌補(bǔ)了這些缺陷，此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有很多，例如，覆蓋面積廣、可靠性高、非常安全、成本低和功耗低等。將此技術(shù)應(yīng)用于智能水表領(lǐng)域，既能夠減少抄表的成本，又可以智能化管理水表，它的應(yīng)用價(jià)值非常大。該文主要概述了NB-IoT技術(shù)的特點(diǎn)、組網(wǎng)方式及其在智能水表領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：NB-IoT技術(shù);智能水表;應(yīng)用;研究

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0 引言

目前，隨著城市化的迅速發(fā)展，住宅的調(diào)試難度加大，維修工作量也增大，小型無(wú)線儀表的穩(wěn)定性也不是很高。為了解決水表需要長(zhǎng)期維護(hù)的問(wèn)題，供水企業(yè)既要考慮功耗又要顧及實(shí)時(shí)性。隨著寬帶物聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越先進(jìn)，我國(guó)抄表問(wèn)題日益嚴(yán)重，抄表工作量也越來(lái)越大。當(dāng)前智能水表的讀數(shù)技術(shù)已經(jīng)有了新進(jìn)展，該水表采用多種新型智能抄表技術(shù)。然而，智能水表系統(tǒng)中的智能動(dòng)態(tài)抄表相對(duì)較少，在儀器儀表中找不到解決方案，研究者對(duì)大量數(shù)據(jù)的管理提出了一些問(wèn)題。例如，抄表模式卡不能有效監(jiān)測(cè)用水量，智能抄表系統(tǒng)能夠及時(shí)而準(zhǔn)確地得到供應(yīng)，但其線表結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高。在這個(gè)背景下，NB-IoT技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，越來(lái)越多地應(yīng)用于智能水表領(lǐng)域。

1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)和組網(wǎng)方式

NB-IoT技術(shù)與現(xiàn)網(wǎng)融合，具有很多優(yōu)點(diǎn)。目前，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能電表、水表中，具有移動(dòng)性小、數(shù)據(jù)流量小、對(duì)時(shí)延不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)

1.1.1 廣域覆蓋

在發(fā)射機(jī)發(fā)送相同功率的前提下，網(wǎng)絡(luò)的帶寬減小，功率密度變大，同時(shí)信號(hào)也能夠重復(fù)發(fā)送，獲得時(shí)間分集增益，與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)相比，在同樣的頻率下，信號(hào)覆蓋能力會(huì)增強(qiáng)20 dB。由于信號(hào)增強(qiáng)，信號(hào)可以覆蓋的面積也增大了，與傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)相比，覆蓋范圍增大了10倍，并且能覆蓋到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的室內(nèi)、地下停車場(chǎng)中，給萬(wàn)物互聯(lián)提供了信號(hào)基礎(chǔ)。

1.1.2 海量連接

NB-IoT技術(shù)其中的一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)時(shí)延不敏感，數(shù)據(jù)流量較小，信令開銷少，上行資源調(diào)度粒度小，資源利用率高，一個(gè)扇區(qū)可以支持10萬(wàn)個(gè)連接，能夠?yàn)槿f(wàn)物互聯(lián)提供容量保證。

1.1.3 更低功耗

NB-IoT終端對(duì)時(shí)延不敏感，大部分時(shí)間均處于休眠狀態(tài)，信令開銷少，通過(guò)eDRX技術(shù)、PSM模式等省電節(jié)能手段，消耗的電能較低。因此，NB-IoT終端的待機(jī)時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)很多，可以長(zhǎng)達(dá)10年之久，尤其對(duì)那些地理位置和工作環(huán)境無(wú)法提供外部電源的地方更具吸引力，大大節(jié)約了運(yùn)營(yíng)成本。

1.1.4 更低成本

如果終端單價(jià)過(guò)高，對(duì)于部署海量終端的企業(yè)來(lái)說(shuō)是一筆高昂的費(fèi)用，會(huì)極大地減少企業(yè)的部署熱情。NB-IoT技術(shù)的優(yōu)越性有寬帶窄、速率低和網(wǎng)路對(duì)時(shí)延不敏感等，這些特性可以令NB-IoT終端簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)單的構(gòu)造、簡(jiǎn)化的模組電路和簡(jiǎn)化的軟件依然能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)通信的需要，終端簡(jiǎn)化使得單連接模塊成本進(jìn)一步降低，一般要求單模塊成本不超過(guò)5美元，更低的成本使海量部署成為可能。

1.2 NB-IoT技術(shù)的組網(wǎng)方式

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)使用的是授權(quán)頻道，目前只有運(yùn)營(yíng)商才有授權(quán)頻道，因此目前開展NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的也只有運(yùn)營(yíng)商。組網(wǎng)的部署方式有3種，分別是帶內(nèi)、保護(hù)帶和獨(dú)立載波。帶內(nèi)組網(wǎng)部署是在LTE頻帶內(nèi)截取一段頻帶作為NB-IoT的使用頻帶進(jìn)行組網(wǎng)，它的優(yōu)點(diǎn)是極易擴(kuò)展，發(fā)射的功率很高，缺點(diǎn)是會(huì)減少LTE的網(wǎng)絡(luò)容量，對(duì)于目前部分已捉襟見(jiàn)肘的4G容量影響較大。保護(hù)帶組網(wǎng)是利用LTE頻帶邊緣的保護(hù)帶作為NB-IoT的頻帶，這段頻帶較窄，擴(kuò)容困難，還會(huì)干擾到LTE網(wǎng)絡(luò)，因此現(xiàn)網(wǎng)一般不采用。獨(dú)立組網(wǎng)是在GSM的頻帶中取一段頻帶作為NB-IoT的頻帶，擴(kuò)容靈活，發(fā)射功率高，下行速率較高，覆蓋范圍廣，由于目前GSM用戶數(shù)在不斷減少，頻率資源也相對(duì)寬松一些，因此一般采用此方案進(jìn)行部署。

2 NB—IoT智能水表系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用

2.1 NB—IoT智能水表系統(tǒng)架構(gòu)

NB—IoT智能水表系統(tǒng)的組成主要有5個(gè)部分：水表（NB-IoT通信模組的）、通信基站、服務(wù)器、云平臺(tái)和管理軟件。住戶家里可以安裝一只智能水表，水表運(yùn)行時(shí)可以自動(dòng)搜索鄰近的通信基站，再注冊(cè)到云平臺(tái)，云平臺(tái)可以自動(dòng)分析此設(shè)備上的數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的能力等。水表的數(shù)據(jù)可以通過(guò)基站傳輸至云平臺(tái)，同時(shí)接收到云平臺(tái)的消息。客戶端上的軟件可以借助服務(wù)器從云平臺(tái)獲取用水量數(shù)據(jù)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)到每個(gè)居民的用水量，客戶端軟件還能調(diào)價(jià)控制居民的用水量，向各個(gè)居民發(fā)送每個(gè)月的用水量和用水扣費(fèi)的具體情況。

2.2 NB—IoT技術(shù)在智能水表領(lǐng)域的應(yīng)用

智能水表采用了專門的微處理器、旋轉(zhuǎn)掃描接口以及芯片。其中，智能水表使用的芯片非常專業(yè)，它具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如，靜態(tài)功耗低、可以測(cè)量的范圍大、精度高、非常穩(wěn)定以及機(jī)體一致性好。即使是非常小的電流，也能保證較高的精度，并且不受雜質(zhì)和水銹等影響。它采用的葉輪額外附加了金屬薄膜，當(dāng)葉輪在液體中旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器能夠把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)可以傳輸出來(lái)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的計(jì)算轉(zhuǎn)化成我們需要的信息，例如，液體流速和流量等。另外，人工可以對(duì)機(jī)器進(jìn)行自定義設(shè)置，機(jī)器內(nèi)的定時(shí)狀態(tài)機(jī)可以定時(shí)監(jiān)測(cè)到信號(hào)。最后，處理器能夠進(jìn)一步處理采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)加密操作后按照通信協(xié)議保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，再通過(guò)NB—IoT通信模傳出。

智能水表一般使用鋰亞硫酰氯電池供電，通常8.5 Ah容量的電池可以工作8～10年左右。智能水表的主控MCU在最低的功率下運(yùn)行時(shí)功耗為5 μA左右，它是由LCD驅(qū)動(dòng)、保護(hù)掉電裝置和實(shí)時(shí)監(jiān)控器等智能裝置組成的，它的接口資源非常多，性價(jià)比也很高。

智能水表測(cè)量解決方案支持水表數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，人工抄表具有較高的人工成本和數(shù)據(jù)誤差。用戶在水表中安裝傳感器可以更早地了解水管的泄漏情況。家用水表將自動(dòng)和定期報(bào)告實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，降低故障概率和運(yùn)行成本。收集到的數(shù)據(jù)可用于控制廢水流量，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)故障，完善安全機(jī)制等。該方案適用于高精度的實(shí)時(shí)生產(chǎn)環(huán)境，如需要更新和刪除的數(shù)據(jù)監(jiān)控等。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的性能要求很高，審計(jì)抽取都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，但它能夠使用大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如氣象元數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、氣象要素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和列表數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的快速發(fā)展，人們的生活習(xí)慣和方式正在向著智能化、高水平的方向轉(zhuǎn)變。現(xiàn)有的智能水表包括智能卡式抄表、電纜自動(dòng)抄表、小型無(wú)線智能抄表，這些抄表都可以解決已知的問(wèn)題。NB-IoT技術(shù)的出現(xiàn)使智能水表的發(fā)展取得了質(zhì)的飛躍，并且此技術(shù)已成為水表行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

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