NB-IoT技術在智慧燃氣中的應用實踐

李金陸

摘 要 傳統物聯網燃氣表在應用中存在抄表難、功耗高、網絡覆蓋差等問題，基于NB-IoT技術的物聯網燃氣表將NB-IoT技術與傳統的膜式燃氣表結合起來，具有大連接、廣覆蓋、低功耗、低成本、低速率等特點，可以較好地解決上述問題。本文從管理平臺和智能物聯網表端兩方面總結了NB-IoT技術在智慧燃氣中的應用，分析了其廣闊的應用前景。

關鍵詞 NB-IoT;管理平臺;智能物聯網表

Practice and application of NB-IoT in the field of intelligent gas

Li Jinlu

Tianjin Jinran China resource gas co.，LTD? 300100

Abstract Traditional IoT gas meters exist many problems， such as hard meter reading， high power consumption and poor network coverage， NB-IoT gas meters combine NB-IoT technology with traditional membrane gas meters， it has a large connection and wide coverage， low power consumption， low rate and low cost etc.， can better solve the above problems. This paper summarizes the application of NB-IoT technology in intelligent gas from the aspects of management platform and intelligent IoT gas meters， and analyzes its broad application prospect.

Key words NB-IoT; Management platform; Intelligent IoT gas meters

引言

NB-IoT是一種基于蜂窩網絡的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），NB-IoT是IoT領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWA）[1]?；诜涓C的窄帶物聯網已經成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現利用現有基站的平滑升級。

天然氣作為一種優質的清潔能源，不僅可以強力促進國家安全高效的現代能源體系的建立，同時也可以助力我國化解環境約束、改善大氣質量，提高民眾生活質量。

津燃華潤公司作為燃氣行業中的領導者之一，在2019年更換物聯網表數40余萬塊，包括全市區域，惠及40余萬燃氣用戶、120余萬人口。

本文結合天津居民的實際應用情況，通過分析傳統智能燃氣表普遍存在的問題及NB-IoT物聯網燃氣表的優勢，從云平臺、IoT平臺和表具終端協同發展等方面總結了NB-IoT智能燃氣表應用方案，并展望智慧燃氣發展趨勢。

1當前燃氣行業的痛點和挑戰

城市燃氣企業商業運營模式就是通過管網輸送商品， 通過表具進行計量和貿易結算，完成供氣、銷氣和服務的。近年來城市燃氣取得了巨大的發展，但由于城市燃氣業務涉及城市安全、百姓服務滿意、企業自身盈利、區域能源供需平衡等多方挑戰，燃氣企業運營也一直存在諸多管理難題。

1.1 抄表難、收費難

傳統的人工抄表，除了存在入戶難的問題，另外對于中小型燃氣公司，抄表外勤工人動輒上百人，需要大量的人力，抄表效率低[2]。計費系統往往待抄表數據錄入后才能給出計費賬單，整個過程費事費力，導致用戶對服務滿意度下降，燃氣企業利益受損。

1.2 功耗問題

傳統智能燃氣表的高功耗問題，是燃氣企業迫切需要解決的問題。由于功耗大，需頻繁更換電池，將增加維護成本和管理難度。目前國內民用燃氣表國家強制更換周期為10年，許多智能燃氣表壽命一致性較差，難以達到企業要求。

1.3 網絡覆蓋問題

目前，國內許多燃氣表安裝在樓道內、室內或地下，安裝環境相對復雜。因此對網絡要求較高，為保證傳輸效果往往需要加裝信號放大器，但效果不盡人意，造成抄表率極不穩定[3]。

2NB-IoT智慧燃氣解決方案

2.1 NB-IoT的優勢

NB-IoT，即基于蜂窩的窄帶物聯網，作為遠距離無線通信技術中的佼佼者，NB-IoT具備大連接、廣覆蓋、低功耗、低成本、低速率這五大亮點[4]。

（1）大連接。NB-IoT基站的單扇區可支持超過5萬個UE與核心網的連接，比現有2G、3G、4G移動網絡有50-100倍的用戶容量提升。

（2）廣覆蓋。NB-IoT與GPRS或LTE相比，最大鏈路預算提升了20dB，相當于提升了100倍，即使在地下車庫、地下室、地下管道等普通無線網絡信號難以到達的地方也容易覆蓋到。

（3）低功耗。NB-IoT可以讓設備一直在線，但是通過減少不必要的信令、更長的尋呼周期及終端進入PSM狀態等機制來達到省電的目的，有些場景的電池供電可以高達10年之久。

（4）低速率。NB-IoT單用戶速率只有20kbps，單用戶測試上行理論峰值速率15.6 kbps，下行理論峰值速率21.25 kbps[5]。

（5）低成本。低速率、低功耗、低帶寬可以帶來終端的低復雜度，便于終端做到低成本。同時，NB-IoT基于蜂窩網絡，可直接部署于現有LTE網絡，運營商部署成本也比較低。

2.2 NB-IoT智慧燃氣整體設計方案

NB-IoT智慧燃氣抄表系統主要由智慧燃氣終端模組與智慧燃氣應用平臺構成。系統總體結構如圖1所示。智慧燃氣表終端模組完成終端感知層的數據發送，在網絡上層提供并建立智慧燃氣應用平臺，整個數據傳輸網絡有運營商來構建、維護。具體工作流程如下：通過智慧燃氣表終端模組進行實時環境參數采集，其中包括燃氣表讀數、電池電壓、用氣量、閥門狀態等信息;再通過NB-IoT把采集到的參數或信息發送給智慧燃氣應用平臺;由智慧燃氣應用平臺對數據庫進行相應的處理，并對環境參數進行判斷或報警。通過智慧燃氣應用平臺，燃氣企業可遠程操作智慧燃氣表終端模組，實時采集智慧燃氣表流量信息、檢測設備狀態、下發控制指令。通過遠程監測，燃氣企業也可以將燃氣數據精準地反饋給用戶，用戶通過網頁、APP等連接到智慧燃氣應用平臺進行便捷服務，打破傳統、單一的人工繳費模式，有效提高用戶的滿意度。

3NB-IoT智慧燃氣實踐方案

3.1 NB-IoT智慧燃氣技術標準制定

（1）市場調研。NB-IoT作為一種新興技術，在天津市區大面積推廣之前，天津華潤燃氣集體帶頭調研全國各大燃氣集團及各大單體燃氣公司實施應用情況。最終確定由津燃華潤制定統一技術標準。

（2）標準制定。和三大運營商、智慧燃氣管理平臺軟件公司、多家終端廠商進行探討，制定統一軟件規范，體現標準的科學性和前瞻性。

1）基于NB-IoT的智能燃氣表

將 NB-IoT 技術與傳統的膜式燃氣表結合起來，可具備以下傳統膜式燃氣表所不具備的優勢：計量數據可無線傳輸到云平臺，實現大數據分析;實時在線的實現燃氣表遠程抄表，為我國階梯氣價提供技術保障;用氣余量以及電量不足時可實時報警，同時具備防拆、泄漏報警等功能;燃氣企業可對燃氣表進行遠程監控;另外，NB-IoT物聯網燃氣表比傳統物聯網燃氣表有一個突出的優勢，即NB-IoT物聯網燃氣表開啟PSM功能后，每次上報結束后30s左右終端自動進入PSM狀態，在該狀態時，表具功耗非常小，當表具再次需要上傳數據時，無須進行搜索基站等耗電量大的操作，使得整個與智慧燃氣管理平臺的交互時間大大縮短，基本上可讓燃氣表的耗電能力達到一個較優的水平。

2）基于NB-IoT的智能燃氣平臺

NB-IoT平臺能夠提供智能設備自助開發工具、后臺技術支持服務、物聯網專網、短彩信、位置定位、設備管理、遠程升級等基礎服務。其平臺 IOT 數據云能夠提供高擴展的數據庫、實時數據處理、智能預測離線數據分析、數據可視化展示等多維度的業務運營服務。開放、完善的 API 接口便于用戶在 SaaS 層與 PaaS 層對接。實時監控管理接入設備的狀態與運行情況，并對設備進行遠程操作。

NB-IoT 智能燃氣表通過 NB-IoT 網絡傳輸，連接到 IOT平臺，將形成龐大的數據資產，為燃氣企業的智慧運營提供精準的依據，并分析用戶畫像，獲取增值收益。龐大的數據給燃氣企業帶來種種價值，足以獲得企業重視。

3.2 NB-IoT智慧燃氣整體測試方案

（1）樣機試制。2019年初，由天津華潤燃氣集團組織各大燃氣表制造廠商進行樣機研發和制作，NB-IoT物聯網燃氣表由膜式燃氣表基表、智能控制模塊、NB-IoT通信模塊以及電機閥門組成。各燃氣表廠家按照津燃華潤制定的標準開發完成后與智慧燃氣管理平臺聯合調試。

（2）樣機測試。2019年年初與智慧燃氣管理平臺聯合調試階段，樣機在津燃集團三樓靠窗位置，該位置信號良好，通信成功率幾乎100%。為準確掌握NB-IoT站點對地下室及高層的深度覆蓋情況，技術部成員組織部分表具廠家對特殊環境進行多次采點測試，測試內容包括RSPR、SNR、連接基站是否成功、4條數據交互成功率。部分測試結果見表1。

測試結果表明，現有NB-IoT網絡覆蓋情況在該樓宇的中層最好，低層次之，高層最差。

（3）應用實踐。為全面掌握移動、聯通、電信三大運營商的NB-IoT站點在天津居民區的覆蓋情況及表具的真實運行情況，自安裝日起技術人員借助NB-IoT 智能燃氣平臺對天津居民安裝表具的運行情況進行了實時跟蹤與調研。2019年7月至12月，半年來每月對表具通信指令成功率進行統計，部分測試結果見表2。

測試結果表明，自更換NB-IoT物聯網表具以來，排除網絡調整、升級等例外因素，表具及采集平臺運行正常。另外，中國移動、聯通、電信三大運營商的NB網絡信號均比較穩定，當前燃氣表的抄表成功率能穩定在 99%左右，通過比對燃氣表的實際讀數和系統抄收的數據，燃氣表抄表準確率為 100%。在現有的NB-IoT基站覆蓋范圍內，表具連接基站和上報成功率均能滿足需求。

3.3 NB-IoT智慧燃氣批量應用方案

基于NB-IoT的智慧燃氣終端可實現燃氣數據自動采集和雙向通信，解決了入戶抄表與居民隱私的矛盾。據統計，天津市場2019年集中換表工程量為409385塊，津燃華潤投入工作人員346人;各表具廠家及施工單位投入工人459人，管理人員100人;監理公司投入35人。整體換表工程累計投入工人940人。根據近幾個月的天津市場大批量應用數據，統計得到表具抄到率高達99%以上，極大地提高抄表工作效率和及時性、準確性，為城市安全保駕護航，比以往的傳統燃氣表應用降低了社會管理成本，提高了社會穩定性。而且通過智慧燃氣系統獲得的大數據，可以了解不同區域的燃氣能源用量情況，并據此優化輸配管網運行效率，實現高效用能、協同互補，將可推動社會可持續發展，為綠色、環保、智慧化生活起鋪墊作用，也為智慧城市建設起到積極的推動作用。

4NB-IoT技術在智慧燃氣中的意義及展望

隨著中國天然氣應用將持續增長和全球物聯網技術迅猛發展， 智能燃氣表以及各儀表行業迎來了 NB-IoT新的發展機遇。

（1）目前，我國傳統機械燃氣表表現已逐漸趨于淘汰，智能燃氣表是現在的主流產品，其中物聯網燃氣表因具備節省人力、氣價調整智能和信號傳輸穩定準確三大優勢最具前景。

（2）有望受益 NB-loT 技術生態圈，打造低成本物聯網智能氣表產業。NB-IoT 定義了當前唯一具備大規模普及潛質和高商業價值的長距離低傳輸速率的通信技術，非常適合于傳感、計量、監控等物聯網應用，適用于智能抄表等多類物聯網應用領域。

本系統率先在天津華潤燃氣集團進行示范應用，未來可推廣到全國燃氣行業及水電等相關行業。NB-IoT智慧燃氣產業鏈集成了包含芯片、模組、表具、運營商、網絡服務商等不同行業企業，整個產品的市場規模無可限量。

參考文獻

[1] Wang Y P E，Lin X，Adhikary A，et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things （NB-IoT）[J]. IEEE Communications Magazine，2016，55（3）：117-123.

[2] 佚名.燃氣公司遠程數據采集與管理系統[D].點了：大連理工大學，2018.

[3] 佚名.基于窄帶物聯網智能燃氣表系統設計與實現[J].傳感器與微系統，2019，38（3）：113-116.

[4] 黃文超.NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及發展趨勢[J].電子測試，2017（6）：58.

[5] 蔡慈貴.關于NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀分析及發展趨勢探討[J].信息通信，2017（3）：237-238.