基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

【關(guān)鍵詞】NBIoT；遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)；通信覆蓋；數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性

引言

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)是智能計(jì)量體系的核心內(nèi)容之一，是提高能源管理水平和數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的重要手段，傳統(tǒng)的抄表方式無法滿足智能抄表系統(tǒng)對(duì)于通信覆蓋范圍大、數(shù)據(jù)傳輸速度快、終端工作能耗低等要求，在一定程度上制約了智能抄表系統(tǒng)的發(fā)展。NBIoT由于其低功耗、廣覆蓋和大連接的特點(diǎn)，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)的抄表方式的缺點(diǎn)，為遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路[1]。此文在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)、性能測(cè)試分析三方面進(jìn)行了闡述，最后根據(jù)上述過程提出了基于NBIoT的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)路徑，以期為以后的智慧能源管理工作提供技術(shù)支持。

一、基于NBIoT的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)功能模塊劃分設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的功能模塊劃分直接影響整體架構(gòu)的清晰度與系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)必須圍繞數(shù)據(jù)采集、傳輸與管理三個(gè)核心環(huán)節(jié)展開，確保架構(gòu)層次分明、職責(zé)明確[2]。模塊劃分基于實(shí)際應(yīng)用需求細(xì)化，形成以終端采集單元、通信傳輸單元、集中管理單元為主的功能體系。終端采集單元是抄表系統(tǒng)的第一感知層。系統(tǒng)必須在終端單元配置高靈敏度傳感器及智能采集芯片，確保各類型表計(jì)數(shù)據(jù)的完整捕獲。采集單元需集成低功耗廣域通信模組，支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理與緩存功能，增強(qiáng)邊緣感知能力，減少網(wǎng)絡(luò)通信壓力。節(jié)點(diǎn)設(shè)備需支持自動(dòng)重傳機(jī)制與數(shù)據(jù)校驗(yàn)邏輯，確保采集數(shù)據(jù)在復(fù)雜無線環(huán)境中準(zhǔn)確無誤傳輸至中心系統(tǒng)。通信單元需設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)入網(wǎng)驗(yàn)證機(jī)制與身份認(rèn)證策略，防止非法接入風(fēng)險(xiǎn)，提升系統(tǒng)整體安全性[3]。

（二）NBIoT通信架構(gòu)節(jié)點(diǎn)布局

通信架構(gòu)節(jié)點(diǎn)布局將直接影響到遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和穩(wěn)定性，因此在通信架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)NBIoT信道的特點(diǎn)和應(yīng)用部署密度以及抄表場(chǎng)景等進(jìn)行分析，合理的分層布局。同時(shí)，基于小區(qū)劃分為背景的通信節(jié)點(diǎn)布局，將表計(jì)設(shè)備集中分布的區(qū)塊劃分成小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置一個(gè)主通信節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)覆蓋盲區(qū)的數(shù)量設(shè)置相應(yīng)的輔助通信節(jié)點(diǎn)，主通信節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯總傳輸，在通信信號(hào)較差或者出現(xiàn)異常時(shí)由輔助通信節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充通信信號(hào)覆蓋，主通信節(jié)點(diǎn)采用高增益天線并配備穩(wěn)定的供電模塊，保證了其在廣闊地域中正常上傳數(shù)據(jù)的功能，且在各通信節(jié)點(diǎn)具備網(wǎng)絡(luò)自組織能力，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或通信信號(hào)變?nèi)鯐r(shí)能自我調(diào)整路由路徑，從而實(shí)現(xiàn)通信鏈路自適應(yīng)恢復(fù)。

（三）數(shù)據(jù)采集流程與邊緣計(jì)算模塊配置

數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計(jì)決定了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性、可靠性，對(duì)系統(tǒng)的最終效果起決定作用。系統(tǒng)需建立分層分級(jí)的數(shù)據(jù)采集鏈路，使數(shù)據(jù)從終端向管理平臺(tái)之間得到有效流轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)智能處理；在數(shù)據(jù)讀取終端完成初步的數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)完整性的檢查、異常值預(yù)篩檢和本地加密處理工作，避免將臟數(shù)據(jù)上傳或者導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露情況的發(fā)生；終端設(shè)備設(shè)置動(dòng)態(tài)采集策略，根據(jù)表計(jì)使用狀況以及采集過程中數(shù)據(jù)變化速率的不同自動(dòng)調(diào)整采集頻率，以增加數(shù)據(jù)采集的靈活度，提高能源使用效率；邊緣計(jì)算模塊作為數(shù)據(jù)處理中間層擁有異常數(shù)據(jù)初篩功能，能夠捕捉到采樣時(shí)間內(nèi)突然出現(xiàn)的流量突變、零抄現(xiàn)象、異常耗能等情況，并第一時(shí)間做出標(biāo)注，生成告警信息發(fā)送給中心平臺(tái)，同時(shí)，邊緣計(jì)算模塊還支持對(duì)大體量數(shù)據(jù)進(jìn)行打包壓縮來提高數(shù)據(jù)上傳的速度，降低對(duì)窄帶通信的壓力。

二、基于NBIoT的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（一）低功耗終端設(shè)備的功能配置

終端需要配置高效的表計(jì)接口模塊，模塊可以兼容電表、水表、氣表等不同類型介質(zhì)表計(jì)的數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)⒚}沖、光電、MBus等多種類型信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，具有智能辨識(shí)校驗(yàn)功能。模塊需要滿足低電壓輸入、寬溫的特性，能在較惡劣環(huán)境下正常工作。主控單元需要帶有數(shù)據(jù)緩存功能，并能在斷鏈情況下處理數(shù)據(jù)堆積問題，以及短時(shí)間進(jìn)行批量補(bǔ)傳；模組需內(nèi)嵌重傳及分包控制邏輯，針對(duì)鏈路抖動(dòng)及包丟失做出反應(yīng)，且支持端到端加密。

終端設(shè)備采用高效的電源管理方法。終端設(shè)備的電源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)配有大能量密度電池組，加裝動(dòng)態(tài)電源分配模塊，根據(jù)工作狀態(tài)自動(dòng)切換能量輸出模式。低功耗狀態(tài)，僅僅保證系統(tǒng)的時(shí)鐘中斷能夠正常運(yùn)行，在喚醒的時(shí)候即可使整個(gè)系統(tǒng)的功能都恢復(fù)正常，能顯著降低單位數(shù)據(jù)采集消耗的能量。終端設(shè)備要能實(shí)施遠(yuǎn)程維護(hù)和自檢，系統(tǒng)要有實(shí)施遠(yuǎn)程調(diào)整參數(shù)、更新固件等的通道，保證后期的可維護(hù)性及可擴(kuò)展性。設(shè)置設(shè)備的自檢周期，在每天同一時(shí)間或同一時(shí)間段分別檢查終端的通信狀態(tài)以及采集的數(shù)據(jù)是否存在異常，將檢查到的異常事件上報(bào)。

（二）抄表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集機(jī)制設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集周期管理是實(shí)時(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)需根據(jù)表計(jì)介質(zhì)特性與使用場(chǎng)景設(shè)定動(dòng)態(tài)采集周期，如水表與燃?xì)獗砜稍O(shè)定為小時(shí)級(jí)采集，電表可根據(jù)負(fù)荷變化設(shè)定分鐘級(jí)采集頻率。周期調(diào)度邏輯需支持遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)調(diào)整，適配用能變化或系統(tǒng)優(yōu)化策略。數(shù)據(jù)觸發(fā)采集策略需靈活配置。系統(tǒng)需在固定周期采集基礎(chǔ)上，增加事件觸發(fā)采集模式，如檢測(cè)到負(fù)荷突變、閥門狀態(tài)變化或異常流量時(shí)自動(dòng)進(jìn)行即時(shí)采集與上報(bào)。觸發(fā)邏輯需在終端本地處理，避免頻繁占用通信資源，提高系統(tǒng)響應(yīng)效率。

數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)是實(shí)時(shí)采集機(jī)制的一個(gè)重要組成，每次采集都應(yīng)在采集時(shí)刻點(diǎn)自動(dòng)生成數(shù)據(jù)摘要標(biāo)識(shí)，并結(jié)合時(shí)間戳及表計(jì)編號(hào)一起做數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證，在上傳前在本地完成異常數(shù)據(jù)的篩選和緩存管理工作，對(duì)于明顯的異常數(shù)據(jù)要進(jìn)行標(biāo)記并單獨(dú)存放，以保證上傳的數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時(shí)，也要做好數(shù)據(jù)的冗余備份以及補(bǔ)采機(jī)制。終端需要預(yù)留一定的本地存儲(chǔ)空間，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)發(fā)生中斷故障的時(shí)候能夠?qū)⒁欢ㄖ芷趦?nèi)的采集的數(shù)據(jù)暫存在本地，在鏈路恢復(fù)之后可以大批量地上傳數(shù)據(jù)，還需要支持補(bǔ)采策略中去重以及時(shí)序修復(fù)的數(shù)據(jù)功能。

（三）NBIoT通信穩(wěn)定性增強(qiáng)技術(shù)

通信穩(wěn)定性是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。NBIoT通信穩(wěn)定性增強(qiáng)技術(shù)需圍繞信號(hào)優(yōu)化、鏈路自愈與異常恢復(fù)構(gòu)建完整防護(hù)體系。信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)是通信穩(wěn)定性提升的首要措施。系統(tǒng)需優(yōu)化通信模組射頻性能，采用高靈敏度接收機(jī)設(shè)計(jì)，提升弱信號(hào)環(huán)境下的數(shù)據(jù)接收能力。終端天線設(shè)計(jì)需結(jié)合應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行調(diào)優(yōu)，采用定向或全向高增益天線組合，提升建筑密集或地形復(fù)雜區(qū)域的通信覆蓋效果。

網(wǎng)絡(luò)接入優(yōu)化要提高通信鏈路穩(wěn)定[4]，終端應(yīng)支持多小區(qū)的快速切換/重選，終端可以在主小區(qū)信號(hào)差的時(shí)候接通其它質(zhì)量好的小區(qū)節(jié)點(diǎn)，防止連續(xù)不斷斷開連接；設(shè)置合理的重連延時(shí)、連接保持時(shí)間等參數(shù)來權(quán)衡功耗和鏈路穩(wěn)定性；優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸自適應(yīng)，提升鏈路恢復(fù)的能力；通信協(xié)議棧設(shè)置數(shù)據(jù)緩存及斷點(diǎn)續(xù)傳，當(dāng)鏈路短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)中斷時(shí)，將來不及發(fā)送的數(shù)據(jù)暫存在本地設(shè)備上，鏈路重新建立后直接進(jìn)行傳送；針對(duì)不同的無線鏈路狀況采用變化數(shù)據(jù)傳輸窗口大小、重發(fā)次數(shù)和重發(fā)周期等方法對(duì)整個(gè)協(xié)議棧進(jìn)行改進(jìn)，從而更好地保證了智能電表上傳信息的有效性。

三、基于NBIoT的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)測(cè)試分析

（一）通信覆蓋能力測(cè)試

通信覆蓋能力測(cè)試是評(píng)估遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)在不同地理和環(huán)境條件下運(yùn)行穩(wěn)定性的核心步驟。中興通訊在NBIoT技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的測(cè)試分析，驗(yàn)證了其在多種復(fù)雜環(huán)境中的通信覆蓋能力。中興通訊的測(cè)試結(jié)果表明，在城市中心區(qū)域，信號(hào)強(qiáng)度平均為-70 dBm，信噪比為15 dB；而在郊區(qū)和山區(qū)，信號(hào)強(qiáng)度下降至-85 dBm，信噪比降至10 dB。盡管環(huán)境條件較為復(fù)雜，系統(tǒng)依然保持了較好的通信質(zhì)量。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)重選機(jī)制，系統(tǒng)成功改善了低信號(hào)區(qū)域的覆蓋能力，如表1所示。

從表1可以看出，經(jīng)過中興通訊的優(yōu)化措施后，信號(hào)強(qiáng)度和信噪比得到了顯著提升，尤其是在信號(hào)較弱的郊區(qū)和山區(qū)區(qū)域。優(yōu)化后的系統(tǒng)在帶寬和時(shí)延上也有了明顯改進(jìn)，尤其是在高密度環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率得到了大幅提升。

總結(jié)來看，中興通訊的NBIoT遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通過對(duì)通信覆蓋能力的全面優(yōu)化，成功應(yīng)對(duì)了復(fù)雜環(huán)境下的通信挑戰(zhàn)。測(cè)試結(jié)果不僅證明了系統(tǒng)的可靠性，也為進(jìn)一步為智能抄表應(yīng)用提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持和技術(shù)依據(jù)。

（二）信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)試

信號(hào)穩(wěn)定性問題是保證遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)工作的基本前提，特別是在信號(hào)復(fù)雜多變、信號(hào)易衰減易干擾的環(huán)境下工作，信號(hào)的穩(wěn)定性決定了整個(gè)系統(tǒng)工作的優(yōu)劣程度。所以信號(hào)穩(wěn)定性檢測(cè)應(yīng)該充分考慮各種參數(shù)，模擬真實(shí)的工作場(chǎng)景，通過不同的弱信號(hào)環(huán)境、信號(hào)衰減、多徑效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。

以車載通信終端（Telematics Box，TBox）的通信穩(wěn)定性測(cè)試為例，由于TBox是一輛車內(nèi)負(fù)責(zé)給遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的裝置，所以針對(duì)TBox在各個(gè)實(shí)際情況下的穩(wěn)定程度測(cè)試情況也可以作為對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的一個(gè)參考，在這一過程當(dāng)中，采用衰減器對(duì)信號(hào)進(jìn)行減弱，并逐步增大衰減值來測(cè)試設(shè)備在信號(hào)不斷變?nèi)跚闆r下表現(xiàn)得如何。除此之外，還涵蓋了城市峽谷、隧道、室內(nèi)等信號(hào)受到阻擋的情況以及偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)覆蓋不好等情況。

在測(cè)試階段，著重關(guān)注了TBox接收靈敏度、網(wǎng)絡(luò)切換性能、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性以及定位精度等一些指標(biāo)；另外針對(duì)連接到TBox的外接天線上的衰減器，外接天線受衰減器的隔直作用無法正常工作導(dǎo)致信號(hào)接收不良的問題，在A.tmendofbanki前端為該衰減器加裝了兩個(gè)濾波器，分開射頻信號(hào)和直流信號(hào)同時(shí)傳遞，解決了通信的問題。基于TBox通信穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果得出的經(jīng)驗(yàn)作為改進(jìn)后的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的信號(hào)穩(wěn)定性方面的借鑒意見，在應(yīng)用前后對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)對(duì)弱信號(hào)、多路徑情況改善明顯，尤其在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性及網(wǎng)絡(luò)切換性能上得到較大改善。

（三）抄表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率測(cè)試

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)成功實(shí)施的關(guān)鍵，特別是在智能電表和能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。重慶某電氣有限公司通過部署華立三相智能電表和4G無線抄表系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)抄表方式的弊端，實(shí)現(xiàn)了電力數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景為工業(yè)園區(qū)，涉及多臺(tái)變壓器供電，設(shè)備分散安裝與集中安裝場(chǎng)合并存，傳統(tǒng)電表安裝和抄表面臨較大困難，如鋪線費(fèi)用高，難以統(tǒng)一管理，且能耗數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，人工核對(duì)流程繁瑣。通過智能電表采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，該公司實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率的顯著提升。測(cè)試中，系統(tǒng)具備自動(dòng)識(shí)別和排除異常數(shù)據(jù)的能力，解決了漏讀、重復(fù)讀表和虛假數(shù)據(jù)等問題，同時(shí)進(jìn)行多環(huán)境測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)不同類型表計(jì)的適應(yīng)性，尤其是在工業(yè)園區(qū)的復(fù)雜環(huán)境下，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集。測(cè)試結(jié)果表明，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率由應(yīng)用前的85%提升至99%，同時(shí)異常處理能力得到加強(qiáng)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正數(shù)據(jù)異常，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)并進(jìn)行修復(fù)。測(cè)試前后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率的提升，重點(diǎn)體現(xiàn)了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率、漏讀率、重復(fù)讀表率以及人工核對(duì)時(shí)間的顯著減少，優(yōu)化后的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集精度、穩(wěn)定性和效率上均有了顯著改善，系統(tǒng)成功將人工抄表的時(shí)間成本和人力成本降低，同時(shí)提高了能源利用效率，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)了更高效的電力管理，如圖1所示。

經(jīng)過應(yīng)用遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率提升了14%，漏讀率和重復(fù)讀表率也顯著降低，數(shù)據(jù)異常處理響應(yīng)時(shí)間縮短至2分鐘，人工核對(duì)時(shí)間也減少了75%。這些數(shù)據(jù)展示了該系統(tǒng)在提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、減少人工干預(yù)方面的顯著成效。中瑞電氣的案例驗(yàn)證了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)在解決傳統(tǒng)電表抄表問題中的優(yōu)勢(shì)，提供了更加高效、精準(zhǔn)和智能的電力數(shù)據(jù)管理解決方案。

結(jié)語

文章深入探討了基于NBIoT的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。通過對(duì)系統(tǒng)總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、測(cè)試分析的詳細(xì)研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在通信覆蓋、信號(hào)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面的顯著優(yōu)勢(shì)。中興通訊與重慶某電氣公司的案例分析進(jìn)一步證明了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性和高效性。研究表明，智能化遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)能夠有效降低人工成本、提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，推動(dòng)能源管理向更加智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 隋晗.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程讀表系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022.

[2] 唐明軍.基于NBIoT的遠(yuǎn)程智能抄表應(yīng)用研究[J].通信電源技術(shù)，2020，37（01）：137138.

[3] 黃堅(jiān)，呂松祥.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].信息記錄材料，2024，25（12）：194196.

[4] 邢星，袁朝洋.面向智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2024，14（12）：132136+140.