浅析NB-IoT技术在智能水表领域的应用

胡勇虎 于洪涛 浙江正泰仪器仪表有限责任公司杭州分公司

浅析NB-IoT技术在智能水表领域的应用

胡勇虎 于洪涛 浙江正泰仪器仪表有限责任公司杭州分公司

由于传统智能水表抄表存在实时监控难、施工复杂、成本高、通信稳定性差等诸多问题，随着NB-IoT窄带物联网技术的出现，将能从根本上改变这一局面。基于NB-IoT技术具备广覆盖、高可靠性、高安全性、低成本、低功耗等特点，在智能水表领域不仅可以降低抄表成本，而且可以实现水表管理的智能化和大数据化管理，具有非常重要的实际应用价值。

NB-IoT 水表抄表 物联网 智能

在城市化建设的飞速发展的当今社会，住宅的智能化和高层化也不断改变着人们的生活方式和习惯，供水企业为了解决日益突出的入户抄表难、抄表工作量大的问题，也在不断尝试着各种新的智能化抄表技术。从智能卡式抄表、有线MBUS自动抄表到小无线智能表抄表，然而依然没有找到一种彻底解决诸多问题的理想抄表模式。卡表无法有效对用水情况进行监控从而及时有效的均衡和调度供水；有线表施工复杂、成本高，调试困难，维护工作量大；小无线表网络稳定性差、需要后期长期维护，功耗与实时性难以兼顾。随着NB-IoT窄带物联网技术的出现，让智能水表抄表技术看到了胜利的曙光，水表行业也迅速将目光锁定在这一新兴技术上。智能水表系统作为智慧城市建设的重要组成部分，对其智能化、大数据化管理提出了日益迫切的需求，基于NB-IoT技术的智能抄表系统的实现正适应了这一需求变化，本文将结合NB-IoT技术的特点介绍该技术在智能水表抄表上的应用。

1 NB-IoT技术特点

NB-IoT技术作为万物互联网络的一个重要技术，其构建于电信运营商传统的蜂窝网络，信道占用带宽200KHz，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或者TLE网络，信道支持独立部署、带内部署、边带部署三种方式，上行采用SC-FDMA通信调制方式，下行采用OFDMA通信调制方式，信号发射功率为23dBm，可实现在现有电信网络的平滑升级，快速实现全面网络覆盖。网络连接可靠，比传统的GPRS覆盖能力增强20dB，每个基站可以接入5万个设备终端，可以最大覆盖15Km的范围，还能提供全面的室内覆盖连接。电信网络授权频段，连接安全性高，易于安装和维护。可以将所有基于低功耗的物联网领域的设备接入到广域网的蜂窝数据连接，采用星型网络模式，无需中继，采用了PSM和eDRX两种低功耗技术，可以大大延长低功耗设备的待机时间。庞大的市场基础和芯片的低成本技术可以有效降低使用成本。因为NB-IoT技术具有广覆盖、高可靠性、高安全性、低成本、低功耗等特点，可以有效解决智能水表领域的诸多抄表问题。

2 NB-IoT智能水表系统架构

NB-IoT智能水表抄表系统应用架构框图如图1所示。主要由带NB-IoT通信模组的水表、NB-IoT通信基站、物联网云平台、业务服务器、客户端管理软件等构成。每户居民家里设置一只NB-IoT技术的智能水表，开通运行后，智能水表会搜寻到附近的NB-IoT通信基站并注册到物联网云平台，云平台就会知晓该设备需要上报和接收的数据能力，智能水表的用水数据可通过通信基站上传到物联网云平台，也可以接收来自云平台的控制数据消息。客户端管理软件通过业务服务器从云平台获取实时抄收到的居民用水数据，监控各个居民的实时用水情况，客户端还可对居民用水进行实时阶梯调价控制，定制业务服务器的数据抄收策略，向居民推送每月的用水情况和扣费情况。

图1 系统架构图

3 NB-IOT智能水表的实现

智能水表是在传统机械水表的基础上，采用专用于水表的TI的微处理器和旋转扫描接口SCANIF的一体化方案芯片MSP430FW42X，该芯片具有静态功耗低、测量范围宽、精度高、稳定性和一致性好的特点，在小流量下可以保持很高的测量精度，并且丝毫不受各类水锈、杂质的影响，采用附有金属膜的叶轮在流体中旋转，无磁非接触式传感器将其转化为电信号送至微处理器的SACNIF接口计算出转动流体流量和方向，内部的定时状态机可以自动定时完成信号检测，微处理器对采集到的信号数据进行处理，对数据进行加密处理后按照一定通信协议封装到数据报文里，最后通过NB-IoT通信模组发送出去。供电电源采用锂亚硫酰氯电池，8.5Ah的电池容量可稳定工作8—10年以上。

水表的主控MCU最低运行时功耗5μA，集成了LCD驱动、掉电保护功能和电源电压监控器，接口资源丰富，性价比高。

NB-IoT模组的硬件设计采用BC95，休眠功耗5μA，待机功耗6mA。发射功率23dBm，接收灵敏度-129dBm。通过串口和使用标准AT命令集可以方便的控制模块向云平台端上传各类采样数据和接收控制信息。

4 物联网云平台的实现

电信网络运营商已针对NB-IoT网络架设了专用的物联网公共云平台，所有物联网领域的设备终端和应用都可以注册到该云平台上，可以通过MQTT协议、HTTP协议，CoAP协议来实现数据的传输。

5 业务服务器和客户端管理软件的实现

智能水表抄表系统业务的实现需要在水业管理中心设置终端控制和应用数据处理的业务服务器，客户端管理软件是采用B/S结构的web网站形式的管理系统，开发平台选择了Microsoft Visual Studio 2015，开发语言采用了面向对象的编程语言C#，前端页面应用HTMLS，javascript和jquery等主流前端技术，数据库选用的是关系型数据库Oracle。

6 系统性能测试与分析

为验证NB-IoT技术的系统通信效果，选择30层的小高层住宅楼进行测试验证，在每层楼的楼道内安装有NB-IoT智能水表，共计87只。通过小区外的一个NB-IoT通信基站进行抄收，运行三个月实时抄收成功率100%，每天定时主动上报抄收成功率100%。

7 结语

本文所介绍的NB-IoT技术在智能水表的应用具有实现便捷、使用安全可靠、用户管理方便的特点，从性能测试与分析结果可知，整个系统的运行状态良好，性能稳定，具有广泛的市场应用前景。

[1]石跃祥,钟 ,等.一种新型智能水表抄表系统[J].物联网技术,2014(6):16

[2]孙彪.移动运营商NB-IoT部署策略探讨[J].移动通信,2016,40(23):11-16

[3]卢斌.NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨[J].移动通信,2016,40(19):55-59