解析NB-IoT智能水表在智慧水務(wù)中應(yīng)用

林俊

廈門(mén)市政水務(wù)集團(tuán)有限公司，福建廈門(mén)，361000

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各個(gè)產(chǎn)業(yè)逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。智能水表是近年來(lái)發(fā)展迅猛的一種新型水表，是微電子、信息、傳感等技術(shù)的結(jié)合體。根據(jù)“智慧水務(wù)”要求，從過(guò)去的“粗放”到“精細(xì)”的轉(zhuǎn)變，供水企業(yè)必須利用現(xiàn)代技術(shù)，改變“水”的管理方式，提升供水服務(wù)質(zhì)量[1]。NB-IOT智能水表的應(yīng)用，不僅可以提高水廠的工作效率、節(jié)省人力，還可為輸水系統(tǒng)的漏損提供相關(guān)的資料，實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)、合理的經(jīng)營(yíng)。

智能化供水系統(tǒng)的信息化是通過(guò)云技術(shù)將海量的水?dāng)?shù)據(jù)接入，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)精確控制與大數(shù)據(jù)分析，為管理者提供更準(zhǔn)確的方向與依據(jù)。智能水務(wù)一體化系統(tǒng)將發(fā)揮其本身的優(yōu)越性，對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行有效的改造，本文分析NB-IOT智能水表在智慧水務(wù)中的運(yùn)用。

1 水表發(fā)展史

1.1 第一階段：傳統(tǒng)水表

（1）工作原理：利用自來(lái)水流量的壓力，使水表內(nèi)的齒輪旋轉(zhuǎn)，水表上的表盤(pán)上的齒輪驅(qū)動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)，計(jì)算出用水量。

（2）功能特性：一般水表的價(jià)格較低，計(jì)量精度能夠滿足計(jì)量要求。

（3）缺點(diǎn)：需要員工上門(mén)抄表，容易造成漏抄、錯(cuò)抄等問(wèn)題。

1.2 第二階段：IC卡水表

（1）工作原理：通過(guò)傳感、微電子、智能IC等技術(shù)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)用水量的測(cè)量、傳輸和結(jié)算交易。

（2）功能特征：用水量的記錄和電子化顯示按照約定用水量進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)階梯水費(fèi)計(jì)算的自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、異常提示以及預(yù)付費(fèi)。

（3）缺點(diǎn)：①IC水卡因?yàn)闆](méi)有聯(lián)網(wǎng)，所以在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有一定的私密性，會(huì)出現(xiàn)一些作假現(xiàn)象，有些人會(huì)因?yàn)槭褂脗慰ǘ褂?jì)數(shù)器失效；物業(yè)公司如果無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)督，將會(huì)給業(yè)主帶來(lái)巨大的損失。②由于無(wú)法確定各表格的用水量，造成了統(tǒng)計(jì)、調(diào)度和平衡等問(wèn)題。③IC卡水表依賴于電池，極易產(chǎn)生較大的干擾，若電量用完，無(wú)法辨識(shí)使用者的用電量。對(duì)電閥也無(wú)法正確控制，若使用者過(guò)度使用水源，亦無(wú)法有效監(jiān)測(cè)。

1.3 第三階段：智能水表

智能水表具有精確、可靠的傳感器和信號(hào)處理功能，內(nèi)置計(jì)算機(jī)和運(yùn)算法則，具有各種接口和電子控制執(zhí)行器，可以對(duì)流量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、通信和顯示。其是一種新型的電子水表，具體分為2大類，即帶有電子設(shè)備的機(jī)械儀表和電子儀表。其中，帶有電子設(shè)備的機(jī)械式水表，分為預(yù)付式水表和遠(yuǎn)程式水表，利用常規(guī)水表來(lái)測(cè)量流量，并將傳感器安裝在水表讀數(shù)盤(pán)上或者齒輪上，將原水表的機(jī)械讀數(shù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。再進(jìn)行具體的采集、傳輸和儲(chǔ)存，并按照結(jié)算的交易模式進(jìn)行自動(dòng)化和手動(dòng)控制[2-3]。因?yàn)榛緝x表采用的是速度型，所以帶有電子設(shè)備的機(jī)械式水表是一種速度型水表，其特點(diǎn)是對(duì)讀數(shù)模式、顯示機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，并加入了預(yù)付費(fèi)和遠(yuǎn)程傳感。但其測(cè)量裝置和傳輸模式仍采用機(jī)械式，其精度等級(jí)達(dá)到2.0，與一般機(jī)械儀表相同。作為2.0時(shí)代的智能水表的主要產(chǎn)品，在流量傳感部件沒(méi)有機(jī)械活動(dòng)部件的情況下，儀表流量傳感器采用電磁、超聲、射流等非機(jī)械部件的流量傳感器，具有測(cè)量范圍寬、精度高，工作穩(wěn)定可靠、時(shí)間長(zhǎng)，壓力損失小等特點(diǎn)。

（1）工作流程：抄表人用遙控抄表方式發(fā)出抄表命令，由通信模塊接收命令，并將資料傳輸至伺服端，由抄表人進(jìn)行抄寫(xiě)。

（2）功能特性：自動(dòng)遙控抄讀、預(yù)付費(fèi)、數(shù)據(jù)報(bào)表存儲(chǔ)。同時(shí)，包含防破損、防倒裝以及防滴漏功能。

（3）常用的有線遠(yuǎn)程通信和無(wú)線遠(yuǎn)程通信，傳統(tǒng)的無(wú)線遠(yuǎn)程通信方式是采用光電直接讀取遠(yuǎn)程通信方式，而采用NB-IoT、LoRa、GPRS等遠(yuǎn)程通信方式。

2 智能水表使用原則

2.1 計(jì)量性能

在設(shè)計(jì)方案時(shí)，將其原理與構(gòu)造型式結(jié)合，以保證水表各個(gè)層次的性能，關(guān)鍵在于以下幾個(gè)因素。①電動(dòng)機(jī)械變換設(shè)備。這是影響智能水表計(jì)量性能的第一個(gè)因素，必須滿足控制面板功耗的設(shè)計(jì)規(guī)范，選擇硬件配置的磁-雙十簧管采樣方式，采用成分識(shí)別和延遲識(shí)別技術(shù)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，消除抖動(dòng)效應(yīng)和磁場(chǎng)效應(yīng)，從而進(jìn)一步改善儀表的測(cè)量穩(wěn)定性。②電子控制閥門(mén)。這是影響智能水表測(cè)量性能和系統(tǒng)可靠性的重要因素。電子控制閥的結(jié)構(gòu)對(duì)儀表的測(cè)量性能造成很大傷害，通過(guò)水表計(jì)量單位的水，由于流路的變化，會(huì)在水表中產(chǎn)生二次流。在二次流足夠強(qiáng)，并且與儀表測(cè)流元件的旋轉(zhuǎn)方向相符的情況下，二次流提升測(cè)量元件的速度，減少測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。③電池電源的特性。電池電源也會(huì)對(duì)智能水表的性能產(chǎn)生影響，電池的技術(shù)性能固然重要，但其核心是要有一個(gè)與整個(gè)儀器的整體性能相符的設(shè)計(jì)思想。在智能儀表的設(shè)計(jì)中，要充分考慮其負(fù)載、充電、放電等性能[4-5]。

2.2 DMA分區(qū)

DMA分區(qū)計(jì)量管理，是供水單位按照供水管網(wǎng)進(jìn)行劃分，建立覆蓋“出廠計(jì)量-分級(jí)計(jì)量-用戶計(jì)量”的管網(wǎng)流量計(jì)量傳遞體系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化管理，能夠精準(zhǔn)查漏檢漏。分區(qū)、計(jì)量、漏檢是DMA技術(shù)3大工作重點(diǎn)。在各分區(qū)的進(jìn)水管、出水管安裝閥門(mén)、流量計(jì)、超聲波大表等對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)夜間流量最小化分析，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排查管網(wǎng)的損壞部位，降低漏損。

（1）減少漏損率，減少產(chǎn)銷差異：智能水表定時(shí)、定點(diǎn)、實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，為區(qū)域計(jì)量、水平衡測(cè)試提供準(zhǔn)確、可比較的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)某區(qū)域總分表進(jìn)行交叉分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后，發(fā)現(xiàn)該處漏失率過(guò)高，可以及時(shí)進(jìn)行泄漏檢查，更換管線或閥門(mén)，或進(jìn)行改進(jìn)，提高整體工作效率，降低人力、物力消耗。

（2）幫助及時(shí)維護(hù)。智能水表管理系統(tǒng)可根據(jù)用戶的異常情況及時(shí)進(jìn)行抄表，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)或智能水表的異常情況，及時(shí)發(fā)出工作指令，安排檢查或維修人員到現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題，降低管道檢查的工作量，并在同一時(shí)間內(nèi)及時(shí)向有關(guān)用戶報(bào)告問(wèn)題，降低水資源的損耗。

2.3 用戶服務(wù)及時(shí)性

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，構(gòu)建“智慧水務(wù)”系統(tǒng)，已成為供水企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，遠(yuǎn)程智能水表是其中的核心部分，可以通過(guò)數(shù)據(jù)的傳遞，對(duì)住戶的用水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。在智能遠(yuǎn)程小表改造中，對(duì)日結(jié)數(shù)據(jù)和瞬時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，提高維修質(zhì)量。

3 NB-IoT智能水表在智慧水務(wù)中應(yīng)用

3.1 智能水表結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)利用NBIOT的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了ZigBee子結(jié)點(diǎn)與主結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，由中間協(xié)調(diào)器對(duì)信息進(jìn)行接收和處理，協(xié)調(diào)器利用NBIOT與公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行通信。用戶可以通過(guò)關(guān)注用戶號(hào)訪問(wèn)服務(wù)器、登錄網(wǎng)頁(yè)等方式查看用戶的飲用水情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的多個(gè)飲水點(diǎn)的水量和水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并為水量較少、水過(guò)期用戶發(fā)送提醒信息[6-7]。

ZigBee的子結(jié)點(diǎn)均具有較低的功耗，使用干電池作為電源，ZigBee間通過(guò)多播進(jìn)行通訊。既有廣播的優(yōu)勢(shì)，又能降低協(xié)調(diào)程序的負(fù)荷。同時(shí)，將整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)分成2個(gè)階段：初始化和結(jié)點(diǎn)加入。在此基礎(chǔ)上，節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)方式主要是與協(xié)調(diào)器的接入，或者是通過(guò)現(xiàn)有的母節(jié)點(diǎn)。ZigBee無(wú)線組網(wǎng)功能是將傳感器發(fā)送的信息以無(wú)線的形式發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

利用串口接口將ZigBee協(xié)調(diào)器與STM32相連，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理。該單片機(jī)采用多個(gè)串行接口，通過(guò)單片機(jī)的串行接口將其與 NBIOT相連，從而降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減少程序編制難度，確?？煽康男畔鬟f。

ZigBee協(xié)調(diào)者僅負(fù)責(zé)接收到的數(shù)據(jù)的串口轉(zhuǎn)發(fā)，不會(huì)處理數(shù)據(jù)。呼叫函數(shù)識(shí)別、處理、串口傳送至STM32。STM32單片機(jī)的主要功能是進(jìn)行MCU的初始化、外部設(shè)備的聯(lián)接以及數(shù)據(jù)的處理。該方法首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，建立了各設(shè)備的通訊，并對(duì)ZigBee協(xié)調(diào)程序發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將這些數(shù)據(jù)傳送給NBIOT。NBIOT的主要功能是向服務(wù)器傳輸來(lái)自STM32的數(shù)據(jù)。這個(gè)過(guò)程就是對(duì)與STM32進(jìn)行通訊的串行接口進(jìn)行初始化，然后等待數(shù)據(jù)的接收，然后發(fā)送到服務(wù)器。

3.2 主要功能

NB-Iot智能水表系統(tǒng)是由水表、集水器、傳輸線構(gòu)成的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，采用微機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)和水表計(jì)量技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、處理于一體，有利于城市用水的綜合化處理，取代了傳統(tǒng)手工抄表，實(shí)現(xiàn)抄表的智能化，進(jìn)而優(yōu)化工作效率。同時(shí)，NB-IOT智能水表自帶采集、電閥、電源、閥控以及智能卡讀卡[8]。該系統(tǒng)的主要作用是方便進(jìn)行水費(fèi)的交易，達(dá)到零欠費(fèi)，可以有效地改善水廠的運(yùn)行狀況，但其缺點(diǎn)是沒(méi)有辦法對(duì)用戶的用水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于不能準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)地區(qū)的用水量，同時(shí)也會(huì)影響到產(chǎn)銷差率的統(tǒng)計(jì)。因此，IC卡水表的用戶以物業(yè)公司為主，而遠(yuǎn)傳智能水表的用戶則是自來(lái)水企業(yè)、水務(wù)局等單位。

NB-Iot智能水表采用了時(shí)差法進(jìn)行流量測(cè)量，即在測(cè)量管道（管道）的上下兩端各裝有一個(gè)超聲傳感器，以實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的雙向傳輸和接收。由于超聲波信號(hào)與水流信號(hào)的重疊，所以在順、反向2種情況下，聲波的傳播速率是不一樣的，所以不同傳感器所發(fā)出的超聲波信號(hào)在水中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也是不一樣的。然后將其轉(zhuǎn)換為流量，由此可對(duì)其進(jìn)行計(jì)量。在流量管的頂端有兩個(gè)傳感器，A傳感器將超聲波信號(hào)（順流）發(fā)送給乙傳感器，而乙傳感器將超聲波信號(hào)（反向流動(dòng)）發(fā)送到 A傳感器，在發(fā)送期間，順流和反向的超聲信號(hào)在傳送期間產(chǎn)生了一定的延遲，當(dāng)校準(zhǔn)后的管截面和標(biāo)準(zhǔn)的管長(zhǎng)時(shí)，利用積分儀上的運(yùn)算芯片來(lái)計(jì)算。

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

NB-IoT智能水表具有預(yù)付費(fèi)的特點(diǎn)，同時(shí)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控的能力，可有效地解決熱水、冷水、純凈水等遠(yuǎn)程抄表、收費(fèi)、監(jiān)控等問(wèn)題。該技術(shù)具有低功耗、大連接、大覆蓋等優(yōu)勢(shì)，可以用于2G，3G，4G網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，并將其用于WAN通信技術(shù)。NB-IoT智能水表利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為供水企業(yè)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的智能化水表時(shí)代[9]。

3.4 優(yōu)勢(shì)分析

NB-Iot智能水表是一種完全電子水表，利用超聲波時(shí)差原理，利用工業(yè)電子元件制作。相對(duì)于機(jī)械式水表，其測(cè)量精度高、工作可靠、測(cè)量范圍大、使用壽命長(zhǎng)。不需要任何可移動(dòng)的零件，不需要設(shè)定參數(shù)，可以隨意地安裝。NB-Iot智能水表在測(cè)試管線中沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)和阻流部件，不會(huì)造成任何的磨損和壓力損耗，具有很高的靈敏度，可以探測(cè)到流動(dòng)速度的細(xì)微改變。同時(shí)，對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求很低，量程比很大，而且NB-Iot智能水表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，特別適用于民用和工業(yè)領(lǐng)域的測(cè)量。此外，物聯(lián)網(wǎng)智能水表以機(jī)械水表為基礎(chǔ)，加入NB-IoT遠(yuǎn)程傳輸模塊組成的智能化水表。產(chǎn)品的計(jì)量性能達(dá)到飲用水水表的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)比較，以前的遠(yuǎn)程電子水表，有些是通過(guò)長(zhǎng)距離傳輸（布線困難），有些則是通過(guò)小型遠(yuǎn)程通信（需要安裝集線器），也有CDMA、GPRS等技術(shù)，但都有一定的缺陷，所以從整體上來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)智能水表是一種很好的遠(yuǎn)傳水表。物聯(lián)網(wǎng)智能水表采用全無(wú)線技術(shù)，無(wú)需一條纜線，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)日常用水量，并隨時(shí)了解蓄電池的電壓狀況。內(nèi)建鋰電池，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6年，覆蓋范圍廣，信號(hào)好，不需要再安裝集中器，準(zhǔn)確度95%以上。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，智能水表將更加準(zhǔn)確、電子化、物聯(lián)網(wǎng)化，NB-IOT智能水表在未來(lái)的供水調(diào)度、管網(wǎng)滲漏檢測(cè)和定位中將起到重要的作用。供水企業(yè)應(yīng)本著經(jīng)濟(jì)合理、適用的原則，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，合理選用各類智能水表，以達(dá)到科學(xué)、合理的管理需求。同時(shí)，水表行業(yè)要緊跟時(shí)代步伐，緊跟時(shí)代發(fā)展，注重水表產(chǎn)品和技術(shù)的變革，注重應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。為適應(yīng)社會(huì)需要，研制出更加簡(jiǎn)便、易于使用的智能水表。