NB-IoT技術(shù)在智慧燃?xì)庵械膽?yīng)用實(shí)踐

李金陸

摘 要 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碓趹?yīng)用中存在抄表難、功耗高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋差等問(wèn)題，基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗韺B-IoT技術(shù)與傳統(tǒng)的膜式燃?xì)獗斫Y(jié)合起來(lái)，具有大連接、廣覆蓋、低功耗、低成本、低速率等特點(diǎn)，可以較好地解決上述問(wèn)題。本文從管理平臺(tái)和智能物聯(lián)網(wǎng)表端兩方面總結(jié)了NB-IoT技術(shù)在智慧燃?xì)庵械膽?yīng)用，分析了其廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 NB-IoT;管理平臺(tái);智能物聯(lián)網(wǎng)表

Practice and application of NB-IoT in the field of intelligent gas

Li Jinlu

Tianjin Jinran China resource gas co.，LTD? 300100

Abstract Traditional IoT gas meters exist many problems， such as hard meter reading， high power consumption and poor network coverage， NB-IoT gas meters combine NB-IoT technology with traditional membrane gas meters， it has a large connection and wide coverage， low power consumption， low rate and low cost etc.， can better solve the above problems. This paper summarizes the application of NB-IoT technology in intelligent gas from the aspects of management platform and intelligent IoT gas meters， and analyzes its broad application prospect.

Key words NB-IoT; Management platform; Intelligent IoT gas meters

引言

NB-IoT是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）[1]?；诜涓C的窄帶物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)利用現(xiàn)有基站的平滑升級(jí)。

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，不僅可以強(qiáng)力促進(jìn)國(guó)家安全高效的現(xiàn)代能源體系的建立，同時(shí)也可以助力我國(guó)化解環(huán)境約束、改善大氣質(zhì)量，提高民眾生活質(zhì)量。

津燃華潤(rùn)公司作為燃?xì)庑袠I(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)者之一，在2019年更換物聯(lián)網(wǎng)表數(shù)40余萬(wàn)塊，包括全市區(qū)域，惠及40余萬(wàn)燃?xì)庥脩簟?20余萬(wàn)人口。

本文結(jié)合天津居民的實(shí)際應(yīng)用情況，通過(guò)分析傳統(tǒng)智能燃?xì)獗砥毡榇嬖诘膯?wèn)題及NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼膬?yōu)勢(shì)，從云平臺(tái)、IoT平臺(tái)和表具終端協(xié)同發(fā)展等方面總結(jié)了NB-IoT智能燃?xì)獗響?yīng)用方案，并展望智慧燃?xì)獍l(fā)展趨勢(shì)。

1當(dāng)前燃?xì)庑袠I(yè)的痛點(diǎn)和挑戰(zhàn)

城市燃?xì)馄髽I(yè)商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式就是通過(guò)管網(wǎng)輸送商品， 通過(guò)表具進(jìn)行計(jì)量和貿(mào)易結(jié)算，完成供氣、銷氣和服務(wù)的。近年來(lái)城市燃?xì)馊〉昧司薮蟮陌l(fā)展，但由于城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)涉及城市安全、百姓服務(wù)滿意、企業(yè)自身盈利、區(qū)域能源供需平衡等多方挑戰(zhàn)，燃?xì)馄髽I(yè)運(yùn)營(yíng)也一直存在諸多管理難題。

1.1 抄表難、收費(fèi)難

傳統(tǒng)的人工抄表，除了存在入戶難的問(wèn)題，另外對(duì)于中小型燃?xì)夤?，抄表外勤工人?dòng)輒上百人，需要大量的人力，抄表效率低[2]。計(jì)費(fèi)系統(tǒng)往往待抄表數(shù)據(jù)錄入后才能給出計(jì)費(fèi)賬單，整個(gè)過(guò)程費(fèi)事費(fèi)力，導(dǎo)致用戶對(duì)服務(wù)滿意度下降，燃?xì)馄髽I(yè)利益受損。

1.2 功耗問(wèn)題

傳統(tǒng)智能燃?xì)獗淼母吖膯?wèn)題，是燃?xì)馄髽I(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。由于功耗大，需頻繁更換電池，將增加維護(hù)成本和管理難度。目前國(guó)內(nèi)民用燃?xì)獗韲?guó)家強(qiáng)制更換周期為10年，許多智能燃?xì)獗韷勖恢滦暂^差，難以達(dá)到企業(yè)要求。

1.3 網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)許多燃?xì)獗戆惭b在樓道內(nèi)、室內(nèi)或地下，安裝環(huán)境相對(duì)復(fù)雜。因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求較高，為保證傳輸效果往往需要加裝信號(hào)放大器，但效果不盡人意，造成抄表率極不穩(wěn)定[3]。

2NB-IoT智慧燃?xì)饨鉀Q方案

2.1 NB-IoT的優(yōu)勢(shì)

NB-IoT，即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，作為遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)中的佼佼者，NB-IoT具備大連接、廣覆蓋、低功耗、低成本、低速率這五大亮點(diǎn)[4]。

（1）大連接。NB-IoT基站的單扇區(qū)可支持超過(guò)5萬(wàn)個(gè)UE與核心網(wǎng)的連接，比現(xiàn)有2G、3G、4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有50-100倍的用戶容量提升。

（2）廣覆蓋。NB-IoT與GPRS或LTE相比，最大鏈路預(yù)算提升了20dB，相當(dāng)于提升了100倍，即使在地下車庫(kù)、地下室、地下管道等普通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)難以到達(dá)的地方也容易覆蓋到。

（3）低功耗。NB-IoT可以讓設(shè)備一直在線，但是通過(guò)減少不必要的信令、更長(zhǎng)的尋呼周期及終端進(jìn)入PSM狀態(tài)等機(jī)制來(lái)達(dá)到省電的目的，有些場(chǎng)景的電池供電可以高達(dá)10年之久。

（4）低速率。NB-IoT單用戶速率只有20kbps，單用戶測(cè)試上行理論峰值速率15.6 kbps，下行理論峰值速率21.25 kbps[5]。

（5）低成本。低速率、低功耗、低帶寬可以帶來(lái)終端的低復(fù)雜度，便于終端做到低成本。同時(shí)，NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商部署成本也比較低。

2.2 NB-IoT智慧燃?xì)庹w設(shè)計(jì)方案

NB-IoT智慧燃?xì)獬硐到y(tǒng)主要由智慧燃?xì)饨K端模組與智慧燃?xì)鈶?yīng)用平臺(tái)構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。智慧燃?xì)獗斫K端模組完成終端感知層的數(shù)據(jù)發(fā)送，在網(wǎng)絡(luò)上層提供并建立智慧燃?xì)鈶?yīng)用平臺(tái)，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)有運(yùn)營(yíng)商來(lái)構(gòu)建、維護(hù)。具體工作流程如下：通過(guò)智慧燃?xì)獗斫K端模組進(jìn)行實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)采集，其中包括燃?xì)獗碜x數(shù)、電池電壓、用氣量、閥門狀態(tài)等信息;再通過(guò)NB-IoT把采集到的參數(shù)或信息發(fā)送給智慧燃?xì)鈶?yīng)用平臺(tái);由智慧燃?xì)鈶?yīng)用平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行判斷或報(bào)警。通過(guò)智慧燃?xì)鈶?yīng)用平臺(tái)，燃?xì)馄髽I(yè)可遠(yuǎn)程操作智慧燃?xì)獗斫K端模組，實(shí)時(shí)采集智慧燃?xì)獗砹髁啃畔?、檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)、下發(fā)控制指令。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，燃?xì)馄髽I(yè)也可以將燃?xì)鈹?shù)據(jù)精準(zhǔn)地反饋給用戶，用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)、APP等連接到智慧燃?xì)鈶?yīng)用平臺(tái)進(jìn)行便捷服務(wù)，打破傳統(tǒng)、單一的人工繳費(fèi)模式，有效提高用戶的滿意度。

3NB-IoT智慧燃?xì)鈱?shí)踐方案

3.1 NB-IoT智慧燃?xì)饧夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定

（1）市場(chǎng)調(diào)研。NB-IoT作為一種新興技術(shù)，在天津市區(qū)大面積推廣之前，天津華潤(rùn)燃?xì)饧w帶頭調(diào)研全國(guó)各大燃?xì)饧瘓F(tuán)及各大單體燃?xì)夤緦?shí)施應(yīng)用情況。最終確定由津燃華潤(rùn)制定統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）標(biāo)準(zhǔn)制定。和三大運(yùn)營(yíng)商、智慧燃?xì)夤芾砥脚_(tái)軟件公司、多家終端廠商進(jìn)行探討，制定統(tǒng)一軟件規(guī)范，體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和前瞻性。

1）基于NB-IoT的智能燃?xì)獗?/p>

將 NB-IoT 技術(shù)與傳統(tǒng)的膜式燃?xì)獗斫Y(jié)合起來(lái)，可具備以下傳統(tǒng)膜式燃?xì)獗硭痪邆涞膬?yōu)勢(shì)：計(jì)量數(shù)據(jù)可無(wú)線傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析;實(shí)時(shí)在線的實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗磉h(yuǎn)程抄表，為我國(guó)階梯氣價(jià)提供技術(shù)保障;用氣余量以及電量不足時(shí)可實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)具備防拆、泄漏報(bào)警等功能;燃?xì)馄髽I(yè)可對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控;另外，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗肀葌鹘y(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碛幸粋€(gè)突出的優(yōu)勢(shì)，即NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗黹_(kāi)啟PSM功能后，每次上報(bào)結(jié)束后30s左右終端自動(dòng)進(jìn)入PSM狀態(tài)，在該狀態(tài)時(shí)，表具功耗非常小，當(dāng)表具再次需要上傳數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)須進(jìn)行搜索基站等耗電量大的操作，使得整個(gè)與智慧燃?xì)夤芾砥脚_(tái)的交互時(shí)間大大縮短，基本上可讓燃?xì)獗淼暮碾娔芰_(dá)到一個(gè)較優(yōu)的水平。

2）基于NB-IoT的智能燃?xì)馄脚_(tái)

NB-IoT平臺(tái)能夠提供智能設(shè)備自助開(kāi)發(fā)工具、后臺(tái)技術(shù)支持服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)、短彩信、位置定位、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程升級(jí)等基礎(chǔ)服務(wù)。其平臺(tái) IOT 數(shù)據(jù)云能夠提供高擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、智能預(yù)測(cè)離線數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化展示等多維度的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)服務(wù)。開(kāi)放、完善的 API 接口便于用戶在 SaaS 層與 PaaS 層對(duì)接。實(shí)時(shí)監(jiān)控管理接入設(shè)備的狀態(tài)與運(yùn)行情況，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

NB-IoT 智能燃?xì)獗硗ㄟ^(guò) NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)傳輸，連接到 IOT平臺(tái)，將形成龐大的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，為燃?xì)馄髽I(yè)的智慧運(yùn)營(yíng)提供精準(zhǔn)的依據(jù)，并分析用戶畫像，獲取增值收益。龐大的數(shù)據(jù)給燃?xì)馄髽I(yè)帶來(lái)種種價(jià)值，足以獲得企業(yè)重視。

3.2 NB-IoT智慧燃?xì)庹w測(cè)試方案

（1）樣機(jī)試制。2019年初，由天津華潤(rùn)燃?xì)饧瘓F(tuán)組織各大燃?xì)獗碇圃鞆S商進(jìn)行樣機(jī)研發(fā)和制作，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碛赡な饺細(xì)獗砘?、智能控制模塊、NB-IoT通信模塊以及電機(jī)閥門組成。各燃?xì)獗韽S家按照津燃華潤(rùn)制定的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)完成后與智慧燃?xì)夤芾砥脚_(tái)聯(lián)合調(diào)試。

（2）樣機(jī)測(cè)試。2019年年初與智慧燃?xì)夤芾砥脚_(tái)聯(lián)合調(diào)試階段，樣機(jī)在津燃集團(tuán)三樓靠窗位置，該位置信號(hào)良好，通信成功率幾乎100%。為準(zhǔn)確掌握NB-IoT站點(diǎn)對(duì)地下室及高層的深度覆蓋情況，技術(shù)部成員組織部分表具廠家對(duì)特殊環(huán)境進(jìn)行多次采點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括RSPR、SNR、連接基站是否成功、4條數(shù)據(jù)交互成功率。部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

測(cè)試結(jié)果表明，現(xiàn)有NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況在該樓宇的中層最好，低層次之，高層最差。

（3）應(yīng)用實(shí)踐。為全面掌握移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商的NB-IoT站點(diǎn)在天津居民區(qū)的覆蓋情況及表具的真實(shí)運(yùn)行情況，自安裝日起技術(shù)人員借助NB-IoT 智能燃?xì)馄脚_(tái)對(duì)天津居民安裝表具的運(yùn)行情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)跟蹤與調(diào)研。2019年7月至12月，半年來(lái)每月對(duì)表具通信指令成功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

測(cè)試結(jié)果表明，自更換NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)表具以來(lái)，排除網(wǎng)絡(luò)調(diào)整、升級(jí)等例外因素，表具及采集平臺(tái)運(yùn)行正常。另外，中國(guó)移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商的NB網(wǎng)絡(luò)信號(hào)均比較穩(wěn)定，當(dāng)前燃?xì)獗淼某沓晒β誓芊€(wěn)定在 99%左右，通過(guò)比對(duì)燃?xì)獗淼膶?shí)際讀數(shù)和系統(tǒng)抄收的數(shù)據(jù)，燃?xì)獗沓頊?zhǔn)確率為 100%。在現(xiàn)有的NB-IoT基站覆蓋范圍內(nèi)，表具連接基站和上報(bào)成功率均能滿足需求。

3.3 NB-IoT智慧燃?xì)馀繎?yīng)用方案

基于NB-IoT的智慧燃?xì)饨K端可實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈹?shù)據(jù)自動(dòng)采集和雙向通信，解決了入戶抄表與居民隱私的矛盾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，天津市場(chǎng)2019年集中換表工程量為409385塊，津燃華潤(rùn)投入工作人員346人;各表具廠家及施工單位投入工人459人，管理人員100人;監(jiān)理公司投入35人。整體換表工程累計(jì)投入工人940人。根據(jù)近幾個(gè)月的天津市場(chǎng)大批量應(yīng)用數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到表具抄到率高達(dá)99%以上，極大地提高抄表工作效率和及時(shí)性、準(zhǔn)確性，為城市安全保駕護(hù)航，比以往的傳統(tǒng)燃?xì)獗響?yīng)用降低了社會(huì)管理成本，提高了社會(huì)穩(wěn)定性。而且通過(guò)智慧燃?xì)庀到y(tǒng)獲得的大數(shù)據(jù)，可以了解不同區(qū)域的燃?xì)饽茉从昧壳闆r，并據(jù)此優(yōu)化輸配管網(wǎng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)高效用能、協(xié)同互補(bǔ)，將可推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，為綠色、環(huán)保、智慧化生活起鋪墊作用，也為智慧城市建設(shè)起到積極的推動(dòng)作用。

4NB-IoT技術(shù)在智慧燃?xì)庵械囊饬x及展望

隨著中國(guó)天然氣應(yīng)用將持續(xù)增長(zhǎng)和全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展， 智能燃?xì)獗硪约案鲀x表行業(yè)迎來(lái)了 NB-IoT新的發(fā)展機(jī)遇。

（1）目前，我國(guó)傳統(tǒng)機(jī)械燃?xì)獗肀憩F(xiàn)已逐漸趨于淘汰，智能燃?xì)獗硎乾F(xiàn)在的主流產(chǎn)品，其中物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硪蚓邆涔?jié)省人力、氣價(jià)調(diào)整智能和信號(hào)傳輸穩(wěn)定準(zhǔn)確三大優(yōu)勢(shì)最具前景。

（2）有望受益 NB-loT 技術(shù)生態(tài)圈，打造低成本物聯(lián)網(wǎng)智能氣表產(chǎn)業(yè)。NB-IoT 定義了當(dāng)前唯一具備大規(guī)模普及潛質(zhì)和高商業(yè)價(jià)值的長(zhǎng)距離低傳輸速率的通信技術(shù)，非常適合于傳感、計(jì)量、監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，適用于智能抄表等多類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。

本系統(tǒng)率先在天津華潤(rùn)燃?xì)饧瘓F(tuán)進(jìn)行示范應(yīng)用，未來(lái)可推廣到全國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)及水電等相關(guān)行業(yè)。NB-IoT智慧燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)鏈集成了包含芯片、模組、表具、運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商等不同行業(yè)企業(yè)，整個(gè)產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模無(wú)可限量。

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