智能水表中的窄帶物聯網NB-IoT 運用

張蓓

（重慶巨泰物聯網集團有限公司，重慶，401120）

0 引言

在現代社會城市化建設不斷發展的過程中，人們住宅逐漸朝著高層化、智能化的方向發展。為了使入戶抄表難、工作量大的問題得到解決，供水公司在嘗試各種全新智能化抄表技術。但是，此技術無法滿足理想抄表的需求。在新技術NB-IoT 窄帶物聯網技術出現之后，促進了智能水表抄表技術的發展，此新型技術逐漸成為水表行業的重點[1]。智能水表建設為智慧城市建設主要環節，NBIOT 技術的智能抄表系統能夠實現大數據話與智能化的管理。

1 窄帶物聯網NB-IoT 的特點

互聯網絡主要技術就是NB-IoT 技術，其根據電信運營商傳統蜂窩網絡創建，信道中使用SC-FDMA 通信調制方式，下行使用OFDMA 通信調制方式，信號發射功率為23dBm，能夠升級現有電信網絡，從而全面覆蓋網絡。信道占用帶寬為200KHz，能夠在GSM 網絡、TLE 網絡、UMTS 網絡中部署，信道包括帶內部署、獨立部署、邊帶部署三種。網絡連接具有較高的可靠性，比傳統GPRS 覆蓋能力要高20dB，單一基站能夠接入五萬個設備終端，最大覆蓋范圍為15km，并且實現全面室內覆蓋連接。頻段通過運營商網絡授權，安全性比較高，維護和安裝更加的方便[2]。全部低功耗物聯網領域設備都能夠在廣域網蜂窩數據連接中接入，使用不需要中繼星型網絡模式，能夠提高低功耗設備待機時間。由于具有龐大市場基礎，并且芯片技術的成本比較低，所以能夠降低成本。NB-IoT技術具有較高的安全性、可靠性與低功耗、低成本得到特點，能夠使智能水表領域存在的抄表問題得到解決。

目前物聯網在藍牙中使用，但是數據準確性比較低，功耗比較大。物聯網和廣域網都能夠使用纖維，但是只能夠應用于帶寬終端，比如攝像機等。小容量傳感器雖然在4G 網絡中使用，但是無法使低容量、低功耗的的需求得到滿足。另外，成本比較低。物聯網新時代逐漸來臨，將云計算、大數據、物聯網等技術作為基礎，智慧化改造能夠使城市智慧化管理水平得到提高，有效促進水務企業的管理[3]。

2 窄帶物聯網智能水表系統架構

為了能夠進一步的提高NB-IoT 物聯網水表終端電池使用的壽命，要利用PSM 模式進行節電，通過運營商實時、集中、遠程抄讀和控制。數據精準可觀，還具備只能收費等服務、管理，使水務公司數據分析與用水管理更加的方便。圖1 為NB-IoT 應用在智能水表中的方案結構，對多樣化數據收集后利用終端在物聯網云平臺中上傳，通過運營商網絡在數據中心上傳數據，結合綜合應用層對數據進行處理和分析，將指令下發到智能終端，便于遠程抄讀與控制[4]。

圖1 NB—IoT 應用在智能水表中的方案結構

■2.1 NB-IoT 智能水表系統架構

NB-IoT 智能水表系統主要包括通信基站、云平臺、水表、管理軟件、服務器構成，在住戶家中安裝智能水表，在水表運行過程中能夠對臨近通信基站進行搜索，之后在云平臺中注冊，云平臺能夠對設備中的數據與數據接收能力進行分析。水表數據利用基站在云平臺中傳輸，并且還能夠對云平臺消息進行接收。客戶端軟件能夠根據服務器通過云平臺得到用水量數據，對居民涌水量進行監測，客戶端軟件也能夠對居民用水量進行控制，為每位居民發送每個月用水量和扣費的情況[5]。

另外，將觸發電路、外圍配置通訊卡、外置存儲模塊、NB 模塊、LCD 液晶顯示器設置到微處理器外圍中，實現表計功能。多類型傳感電路能夠收集各種類型的數據，包括瞬時流量、官網壓力、終端電壓，還能夠配置采樣精度。通過數據自糾錯技術將數據傳輸到NB 通訊模組中，并且展示在LCD 液晶屏中實現人機交互。其次，指令通過NB 通訊模塊下發，根據相應的順序緩存微功耗處理器，并且實現MID幀識別序列的添加，與外圍電路結合處理，對數據進行收集，或者對指定動作進行執行，匹配MID 序列碼回傳指令后，使上下行數據都能夠有序處理與傳輸。智能水表終端利用NB-IoT網絡和后臺系統相互聯動，實現智能抄表、智能計量、空中升級、存儲等功能[6]。

■2.2 系統硬件設計

圖2 為系統硬件設計總結構，STM32 主控制器利用引腳和模塊相互連接，實現各模塊協調與系統功能。顯示模塊能夠顯示NB-IoT 集中器環境中的電量、溫濕度與時間參數等信號。BC95 模塊能夠使集中器和云平臺進行通信，收集應用管理平臺的數據。報警模塊能夠對智能水表是否出現漏水或者偷水的情況進行實時監測，如果出現漏水或者偷水，報警模塊報警，并且將報警信號在管理平臺中上傳，方便維修和處理。存儲模塊能夠存儲水表數據信息，溫濕度傳感器能夠檢測集中器環境的溫濕度，避免惡劣環境下對集中器造成損壞[7]。

圖2 系統硬件設計總結構

2.2.1 STM32 主控制器模塊

將STM32F103RCT6A 單片機作為主控芯片，通過電源電路、晶振電路、復位電路實現外部設置，創建最小工作系統，使集中器主控芯片能夠正常運行。

2.2.2 采集系統

RS-485 通信協議智能水表實現系統的設計，將RS-485接口設置到集中器中，利用此接口和智能水表通信，對水表數據進行收集據。

2.2.3 BC95 模塊

BC95 模塊是一種高性能、低功耗的NB-IoT 無線通信模塊，對比其他無線通信模塊，主要特點為功耗低、大連接、覆蓋強、成本低。系統使用BC95 模塊和主控制器PA10、PA9 相互連接，從而對數據進行接收和發送[8]，圖3為BC95 模塊的通信電路。

圖3 BC95 模塊的通信電路

2.2.4 電源模塊

電源模塊供電電路通過LM2575 降壓電源開源芯片，將12V 直流電壓降低到3.3V、3.6V、5V，以此將額定工作電壓提供到其他功能模塊中。單片機對RS485 模塊與BC96模塊供電，從而降低系統在運行過程中的功耗。

■2.3 系統軟件設計

2.3.1 無線抄表數據通信協議

數據協議能夠保證數據通信過程中數據發送和接收方通暢，設計優化程度和系統智能化程度具有密切關系。在本文設計過程中，中繼器、LoRa 模塊和帶GPRS 集中器創建水表抄表系統，為了保證各模塊數據信號傳輸的精準性，要求系統服務器連接網關。通過應用層自定義實現方案設計，對公開傳輸數據進行打包與解析，表1 為交互幀格式信息。

表1 交互幀格式信息

節點通信幀是指在GW 中發送數據，將幀格式充足為節點通信幀，發送到服務器中。之后,GW 使幀格式充足成為loRa 格式后到節點中發送，網關通信能夠使網關和服務器相互交互[9]。

2.3.2 采集節點設計

采集節點在網絡中添加后，到傳感器報文中發送，從而收集數據。在收集數據后接收傳感器返回指令，在集中器接收模塊中發送數據，等待確認消息。如果超過最大的等待時間，要重新發送數據。消息確認后收集完整數據，采集節點程序流程詳見圖4。

圖4 采集節點程序的流程

2.3.3 集中器軟件設計

注冊網關服務器后，在服務器中發送連接信號，等待確認消息。如果連接信號沒有被接收，那么就要對連接信重新發送。在連接信號接收后，對各節點數據進行接收，將傳輸數據打包壓縮。最后，通過GPRS 網絡進行自動分配，在上位機中傳輸數據。

3 系統測試

實現完整軟硬件系統的設計，并且對系統進行測試。在系統測試時通過應用管理平臺實現數據下發，設置集中器的工作參數。集中器以設置參數工作，在工作參數對采集時間設置時，要能夠集中自動喚醒，從而收集數據。在工作參數到上傳時間時能夠集中喚醒，使所收集的數據通過BC95 模塊上傳到云平臺中。最后利用管理平臺應用IP 與端口采取訂閱方式提取云平臺解析數據，在應用管理平臺對收集的數據進行監視，圖5 為集中器運行狀態。另外，應用管理平臺使收集的水表數據在數據庫中存儲，便于供水公司智能管理[10]。

圖5 集中器運行狀態

4 結束語

在科技不斷發展的過程中，人們生活方式與習慣正在朝著高水平、智能化的方向發展。目前智能水表包括電纜自動抄表、智能卡式抄表、小型無線智能抄表，智能儀表使此技術有了進一步的發展，新技術已經成為水表行業關注的重點。目前，智能抄表系統實現智能大數據管理，本文對窄帶物聯網技術在智能抄表系統中的使用進行分析，對水表進行智能化管理，對行政與管理具有重要使用價值。