基于NB-IoT的遠程智能抄表應用研究

唐明軍

（揚州工業職業技術學院 信息工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

隨著信息技術的快速發展以及大數據的實際應用，物聯網技術已經在社會各個領域取得了重要應用[1]。根據物聯網協會統計數據，預測到2020年，物聯網將達到百億級通信連接規模。在傳統的H2H模式到M2M模式下，人工對水表、電表、熱能表以及燃氣表的抄表存在勞動力成本高、計量不精確等方面的問題。應用GPRS技術可以實現遠程抄表，但是GPRS同時存在定位能力差、信號弱以及數據更新不及時等方面的弊端。

遠程抄表技術需要滿足低功耗、廣覆蓋、易接入等方面的要求，窄帶物聯網NB-IoT適應了遠程抄表的網絡傳輸的基本要求，能夠有效解決遠程抄表過程中所面臨的各項問題。例如，在水表的抄表中要求信號能夠具有較強的穿透能力，在燃氣抄表中要求能夠具有良好的實時性。通過設計對應的APP可以實現不同用戶對于數據的讀取以及反饋，也可以方便自來水公司、供電公司等管理部門進行科學計量與數據分析。

1 系統方案設計

1.1 NB-IoT通信技術

NB-IoT屬于LPWAN的授權頻段的技術應用，根據規定工作在500 MHz～1 GHz。在實際工程應用中采用了超級電容以及PSM等節電技術，NB-IoT的使用壽命超過了10年，能夠滿足遠程抄表對長距離數據傳輸以及低功耗等方面的實際需求[2]。

NB-IoT技術采用的調制方式可以保證數據的重傳與比對，有效提升了數據通信的可靠性。NB-IoT遠程抄表與目前其它的數據通信方式對比具有顯著的優勢。

1.2 系統架構

遠程抄表的對象就是在空間分布較為分散的各種水表、電表等儀表（多為智能儀表，傳統的機械表可以采用轉換儀器實現智能化數據輸出）。因為儀表一般都處于較為隱蔽的場所，所以在傳輸過程中信號會產生額外的損耗。同時，由于儀表位置與接收終端位置的水平高度不同，信號傳播也會產生一定的損耗。根據測算，數據傳輸過程中產生的總體損耗一般會達到20 dB左右，因此在遠程抄表中要充分考慮到現實的問題，遠程抄表系統架構如圖1所示。

圖1 遠程抄表系統架構圖

2 NB-IoT遠程抄表關鍵技術

2.1 核心網

遠程抄表所涉及到的水表、燃氣表、電表以及熱能表的能量傳輸都屬于小規模數據傳輸，因此項目設計階段采用了SCEF，通過SCEF在網絡中提供了一個抽象的網絡接口。核心網的基本功能是在數據傳輸過程中，NB-IoT將數據通過上行信道傳輸到MME，通過SCEF與窄帶物聯網服務器連接，以實現窄帶物聯數據的傳輸[3]。

2.2 工作模式

NB-IoT占用了180 kHz的頻譜帶寬，在實際使用過程中可以采用獨立部署、帶內部署以及保護帶部署的方案。不同的部署方式，信號的抗衰減能力也有不同。NB-IoT的工作模式是采用半雙工模式進行信號的核驗，判斷基站與終端之間的數據傳輸是否準確。

系統采用半雙工的工作模式就是為了適應遠程抄表必須具備的低功耗特征。系統在Type A以及Type B兩個不同的模式工作，通過在兩個模式進行轉換可以使得系統具有較長的時隙，以保證信號傳遞的可靠性進一步加強。同時，不同模式之間可以通過跳頻技術進行載波起始位的有效重新存儲以及隨機存取的前導。

2.3 信號接入

采用NB-IoT技術實現對居民小區的儀表信號接入方式上可以采用基于競爭的信號隨機接入，也可以采用非競爭的窄帶信號隨機接入方式。在信號連接過程中需要將NB-IoT設置為容許信號延遲，以滿足儀表數據讀入的時延問題，實現數據的同步傳輸。NB-IoT終端接收到基站的指令時，終端自動完成時延，基站連接釋放，NB-IoT終端進行數據的保存。通過這樣的延遲方式，避免了終端在每一次數據接收時的重復喚醒，有效降低了NB-IoT終端的模式切換時的數據交換量，降低了系統的功耗[4]。

2.4 數據傳輸

NB-IoT終端完成數據采集后，需要將數據傳輸到基站，再經過基站傳動到系統數據庫或者指定的終端顯示上。由于終端在同一時刻只能使用一個固定的載波進行數據傳輸，因此通過多次數據傳輸進行信號的鑒別，以有效降低數據傳輸的錯誤率，避免信號不正確的傳輸。在數據傳輸過程中，最為重要的就是對各個儀表的所在小區的位置確定，也就是小區搜索。

小區搜索中采用x（n）表示通信基站發送的OFDM信號，r（n）表示終端的接收信號，數據遠程傳輸的信道特征函數為h（n），將信道中的干擾（主要是高斯白噪聲）定義為w（n），則數據的傳輸特性公式為：

對信號進行NPSS同步，并消除同步脈沖信號，采取IDTFT進行變換，得出輸出信號的頻域表達式為：

利用互相關函數對NSSS進行檢測，從Ri(k)中進行頻域采樣，檢測用的頻域點越多，則檢測的準確度越高，但是也會給系統的傳輸帶來延時。采用互相關函數進行小區搜索可以有效提升工作效率，降低系統的硬件設備成本。本設計中構建的互相關函數為：

3 射頻測試

在射頻信號傳輸測試中采用了NB-IoT終端移動版開發模塊與NB-IoT網絡連接。測試采用了Amari LTE100軟件，USRP C210射頻信號處理模塊，同時還需要SIM卡、發送與接收天線、高頻數據傳輸線等。采用SSCOM在程序編寫時進行數據串口的調試，應用TCP/UDP進行應用系統環境的模擬，對NB-IoT的發送功率以及衰減進行射頻測試。測試結果顯示發送功率的平均值為20 dB，泄露比小于19 dB，滿足了NB-IoT模塊的實際需求。

4 APP設計

為了能夠方便進行數據的觀測，基于android進行了APP開發，其UI界面要具有良好的交互性，包括顏色配置、功能按鈕，以適應手機的顯示要求與效果。

采用了阿里云服務器對遠程抄表進行了服務器搭建，同時對接口的協議文件進行編寫，對于APP的編寫采用Axure進行了軟件的界面開發，實現了軟件邏輯，并在服務器上進行測試，最后按照軟件測試流程對軟件進行測試并正式發布。

5 結 論

隨著物聯網技術的快速發展以及大數據的不斷普及，對水表、熱能表、燃氣表以及電能表等常用數據的讀取經歷了人工讀取、GPRS、LoRa等階段，但是都沒有能夠實現高覆蓋率以及低功率、大數據、強連接的要求[5]。文中基于NB-IoT技術對遠程抄表的系統架構、數據傳輸協議規范以及射頻測試等做了詳細的闡述，同時開發了對應的APP，滿足用戶對于數據的查閱以及在線服務等。NB-IoT技術在遠程抄表領域的應用具有重要的市場推廣價值。