基于不同無線通信方式的智能水表比較研究

冼峰

[摘 要]隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，水務(wù)行業(yè)采用的傳統(tǒng)抄表方式已不能滿足現(xiàn)代管理需求。智能水表具備抄表自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化、設(shè)備智能化等特點(diǎn)，能夠有效提升抄表的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，同時(shí)也會(huì)帶來計(jì)費(fèi)方式的變化?；诖?，本文對(duì)智能水表的無線通信方式進(jìn)行比較研究，旨在為智能水表的選擇、數(shù)據(jù)采集及管理打下基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]無線通信方式;智能水表;智能水表系統(tǒng)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.04.037

[中圖分類號(hào)]TH814.2[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1673-0194（2019）04-00-02

0 ? ? 引 言

傳統(tǒng)抄表方式效率低，發(fā)生人為錯(cuò)誤的可能性高，且抄表人員必須到現(xiàn)場，而應(yīng)用智能水表可有效解決這些問題。目前，公用事業(yè)企業(yè)均開始使用智能表計(jì)（智能水表、智能燃?xì)獗?、智能電表等）。但智能表?jì)的覆蓋率存在差異，電力企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了智能表計(jì)全覆蓋，水務(wù)企業(yè)的智能表計(jì)覆蓋率還有很大的提升空間。

1 ? ? 不同通信方式的智能水表系統(tǒng)比較

智能水表系統(tǒng)包括基表、采集器/中繼器、集中器、上位機(jī)管理系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡(luò)。通信方式包括有線方式、GPRS、LoRa、NB-IoT等，其中LoRa、NB-IoT等通信方式正在試點(diǎn)階段。不同通信方式智能水表系統(tǒng)組成如圖1所示。本文從智能水表系統(tǒng)組成、采集模式、故障報(bào)警、集中器和備用方案等方面，對(duì)NB-IoT、LoRa、GPRS的通信方式進(jìn)行比較。

1.1 ? NB-IoT通信方式

①智能水表系統(tǒng)組成?；?、光電轉(zhuǎn)換模塊、NB-IoT抄表模塊、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。②采集模式。每天定時(shí)集中上報(bào)數(shù)據(jù)，NB-IoT抄表模塊可保存1個(gè)月的數(shù)據(jù)。③故障報(bào)警。設(shè)備故障、電池不足時(shí)，會(huì)自動(dòng)記錄并上報(bào)。④集中器。不需要集中器，需要NB-IoT信號(hào)覆蓋。⑤備用方案。NB-IoT抄表模塊出現(xiàn)故障時(shí)需要更換，最近1個(gè)月的數(shù)據(jù)可通過工具讀取上傳;某塊表NB-IoT信號(hào)不好時(shí)，通過加裝天線來改善。⑥數(shù)據(jù)流量。每塊表需要NB-IoT數(shù)據(jù)流量。

1.2 ? LoRa通信方式

①智能水表系統(tǒng)組成?；怼⒐怆娹D(zhuǎn)換模塊、LoRa抄表模塊、LoRa集中器、手持抄表機(jī)、LoRa中繼器和數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。②采集模式。每天定時(shí)集中上報(bào)數(shù)據(jù)，集中器可保存1個(gè)月的數(shù)據(jù)，居民區(qū)環(huán)境下一個(gè)集中器可接入500個(gè)表計(jì)，覆蓋半徑約500 m。③故障報(bào)警。當(dāng)設(shè)備故障、電池不足時(shí)，會(huì)自動(dòng)記錄并上報(bào);集中器的配置和狀態(tài)也會(huì)自動(dòng)與服務(wù)器同步。④集中器。需要集中器，可通過GPRS/WIFI/RJ45上傳數(shù)據(jù)，需要外部供電。⑤備用方案。當(dāng)集中器出現(xiàn)故障，無法自動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用手持抄表機(jī)人工抄報(bào);LoRa抄表模塊故障時(shí)需要更換設(shè)備，故障期間數(shù)據(jù)會(huì)丟失;某塊表信號(hào)不好時(shí)，可通過集中器位置、增加中繼器方式改善。⑥數(shù)據(jù)流量。集中器采用GPRS上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)需要數(shù)據(jù)流量。

1.3 ? GPRS通信方式

①智能水表系統(tǒng)組成?；怼⒐怆娹D(zhuǎn)換模塊、GPRS抄表模塊、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。②采集模式。每天定時(shí)集中上報(bào)數(shù)據(jù)，GPRS抄表模塊可保存1個(gè)月的數(shù)據(jù)。③故障報(bào)警。當(dāng)設(shè)備故障、電池不足時(shí)，會(huì)自動(dòng)記錄并上報(bào)。④集中器。不需要集中器，需要GPRS信號(hào)覆蓋。⑤備用方案。GPRS抄表模塊故障時(shí)需要更換，最近1個(gè)月的數(shù)據(jù)可通過工具讀取上傳;某塊表GPRS信號(hào)不好時(shí)，通過加裝天線來改善。⑥數(shù)據(jù)流量。每塊表需要GPRS數(shù)據(jù)流量。

2 ? ? 基于不同無線通信方式的智能水表測試

本文搭建智能水表的無線通信測試平臺(tái)，引入4家通信運(yùn)營商和4家水表廠商配合測試，結(jié)合智能水表與通信基站的通信信號(hào)情況，選擇有代表性的居民小區(qū)安裝智能水表，對(duì)數(shù)據(jù)采集成功率、數(shù)據(jù)可靠性、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行比較。

2.1 ? 數(shù)據(jù)采集成功率

以15天為采集周期，以4組智能水表應(yīng)采數(shù)據(jù)量、實(shí)際采集數(shù)據(jù)量為基準(zhǔn)，計(jì)算數(shù)據(jù)采集成功率。數(shù)據(jù)采集成功率分析如表1所示。

LoRa的智能水表抄表數(shù)據(jù)先匯聚到水表廠商服務(wù)器，再匯聚到水務(wù)企業(yè)數(shù)據(jù)管理中心，通過關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如日凍結(jié)累計(jì)流量）統(tǒng)計(jì)水表廠商和水務(wù)企業(yè)兩端數(shù)據(jù)的一致性。

2.2 ? 數(shù)據(jù)可靠性

從抄表數(shù)據(jù)中選取10天的日凍結(jié)累計(jì)流量（單位：L）進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性分析，檢查數(shù)據(jù)是否存在突變、溢出正常范圍，以保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠性。A組日凍結(jié)累計(jì)流量分析如圖2所示。

從圖2可以看出，20617090006221在7月27日、7月28日的數(shù)據(jù)增幅大，存在異常。

2.3 ? 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度綜合分析將信號(hào)強(qiáng)度分為4個(gè)等級(jí)（強(qiáng)、較強(qiáng)、弱、較弱），4個(gè)分組分別獲取連續(xù)15天的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，根據(jù)4個(gè)等級(jí)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)比一定周期內(nèi)的測試數(shù)據(jù)，基于NB-IoT的A組（CoAP協(xié)議）、B組（UDP協(xié)議）的智能水表在數(shù)據(jù)采集成功率、數(shù)據(jù)可靠性和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度等方面均優(yōu)于基于LoRa的C組和D組，需要對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行更長周期的跟蹤，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)覆蓋、硬件與通信費(fèi)用成本，確定智能水表選擇的最優(yōu)方案。

3 ? ? 應(yīng)用前景及展望

隨著水表基表技術(shù)、傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和電源技術(shù)的發(fā)展與成熟，以及水資源管理力度的加強(qiáng)和智能小區(qū)工程推進(jìn)速度的加快，作為用水計(jì)量器具和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳管理工具的水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景和廣闊的發(fā)展空間。因此，企業(yè)未來還需要建立完整的平臺(tái)來支撐規(guī)?；闹悄芩砉芾?，包括表計(jì)檢測、抄表數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、抄表業(yè)務(wù)管理、表計(jì)設(shè)備運(yùn)維管理、抄表數(shù)據(jù)增值服務(wù)等，平臺(tái)的核心是基于云平臺(tái)、支持高頻、高并發(fā)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，支持智能水表和上端抄表業(yè)務(wù)的閉環(huán)，并為智慧水務(wù)提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

主要參考文獻(xiàn)

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[2]倪巍，劉弢.智能水表遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].計(jì)量技術(shù)，2012（10）.