基于NB-IoT技術的物聯(lián)網(wǎng)水表設計應用

胡瑞芬 鄭艷東

（定西市計量測試檢定所，甘肅定西 743000）

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術是近代工業(yè)4.0 倡導的新興技術之一。由于其本身具有覆蓋面廣、功耗較小、成本低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于水表、電表等抄表業(yè)務當中。通過采用NBIoT 物聯(lián)網(wǎng)水表的PSM（power saving mode）模式，能夠極大提升水表等儀器的使用壽命，同時通過運營網(wǎng)絡云端實現(xiàn)水表各類數(shù)據(jù)的實時集中抄讀和遠程控制，有效提升了抄表業(yè)務的工作效率和準確率[1]，為下一步智慧水務和大數(shù)據(jù)管理提供了參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場概況

XX 市XX 轄區(qū)內(nèi)原有24 萬常駐用戶，共將近兩萬左右無線水表終端。單靠人工進行數(shù)據(jù)采集整理時，不但工作量巨大，耗費大量人工，數(shù)據(jù)的及時性、準確性也存在較大問題，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)客戶端查詢。針對上述問題，擬采用基于NB-IoT 技術的智能水表系統(tǒng)，提高水表數(shù)據(jù)報送工作的實時性和有效性。

2 設計方案

如圖1 所示，系統(tǒng)管理主要包括數(shù)據(jù)采集層和綜合應用層。水表的各項參數(shù)信息采集后，通過NB-IoT/GPRS 網(wǎng)絡首先上傳到云平臺，由管理中心對平臺數(shù)據(jù)進行訪問調(diào)用，進而實現(xiàn)現(xiàn)場抄表、數(shù)據(jù)信息存儲、系統(tǒng)報表管理和收費增值服務等綜合應用[2]。同時管理中心也可針對數(shù)據(jù)結果形成指令，直接對水表進行開?？刂坪瓦h程抄讀，實現(xiàn)整個水表系統(tǒng)的整體聯(lián)動。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)水表系統(tǒng)架構圖

3 核心設計

3.1 功能設計

如圖2 所示，NB-IoT 智能水表系統(tǒng)包括微功耗處理器、通訊模塊、傳感電路、儲存器和外接LCD 液晶顯示器等部分組成，實現(xiàn)水表數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理、傳輸及終端顯示。微功耗處理器是整個系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)采集時，微功耗處理器與通訊模塊、傳感觸發(fā)電路等部件連接，能夠?qū)崿F(xiàn)水表管網(wǎng)壓力、流量、電流電壓等多類型數(shù)據(jù)源，按照功能需求通過LCD顯示器輸出當前狀態(tài)，實現(xiàn)人機交互功能[3]。下達指令時，操作人員通過通訊模塊對微功耗處理器下達處理指令，由處理器轉(zhuǎn)換為MID 識別序列，通過外圍電路實現(xiàn)閥門的開斷操作和數(shù)據(jù)回傳，實現(xiàn)計量、抄表、控制和存儲的智能化控制。

圖2 NB-IoT 智能水表系統(tǒng)功能設計圖

3.2 抗干擾設計

NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)水表在實際使用中，經(jīng)常受到信號擁堵數(shù)據(jù)遲緩、異常信號干擾、數(shù)據(jù)丟失嚴重、信息安全保密性差等狀況，對抄讀數(shù)據(jù)的準確性和及時性有很大影響。因此必須對其抗干擾性能進行針對性設計。針對信號擁堵導致數(shù)據(jù)并發(fā)上傳問題，設計將同一范圍內(nèi)所有終端進行高峰期離散處理；針對異常信號干擾，通過管理中心對終端和網(wǎng)絡進行實時監(jiān)控，當網(wǎng)絡連接不及時時自行斷開；針對數(shù)據(jù)丟失嚴重，設計將每日數(shù)據(jù)報送記錄進行緩存，數(shù)據(jù)丟失時及時進行補報處理；針對數(shù)據(jù)保密性差，設計采用數(shù)據(jù)AES 加密設計和自動糾錯機制，提高用戶信息安全性。

3.3 實時報警設計

為提升用戶終端體驗，NB-IoT 在數(shù)據(jù)報送、終端告警、實時計費、節(jié)電降耗等方面進行了優(yōu)化設計，通過云平臺共享實現(xiàn)標準數(shù)據(jù)的協(xié)同篩選，采用二級電壓實時告警，實現(xiàn)水表防拆報警、勵磁報警、壓力報警等功能。在計費模式上采用COAP 協(xié)議和UDP 協(xié)議，實現(xiàn)開關閥、抄表的遠程控制[4]。

3.4 其他功能設計

物聯(lián)網(wǎng)水表采用全封閉設計，防護等級達到IP65，具有很好的防水、防靜電和抗腐蝕能力。水表開閉閥門采用懸浮電動球閥，能夠有效防止閥體生銹抱死。此外物聯(lián)網(wǎng)水表新增了天線增益功能，能夠有效提升信號強度，降低網(wǎng)絡搜索、數(shù)據(jù)傳輸功耗。

4 現(xiàn)場檢驗

本項目于2019 年9 月在XX 區(qū)進行了為期1 個月的丟包率和準確率測試。丟包率測試如下：

（1）配置所有的物聯(lián)網(wǎng)水表系統(tǒng)端口為同一vlan。

（2）在PC 端配置8 個IP 地址，將系統(tǒng)與8 個水表終端連接，測試暢通。

（3）在系統(tǒng)端pc1 上ping 水表終端pc2，分別記錄路損、發(fā)包次數(shù)和收包次數(shù)。

丟包率測試結果如表1 所示。

表1 丟包率測試結果

由表1 可知，在正常工況條件下，物聯(lián)網(wǎng)水表安全性和穩(wěn)定性均表現(xiàn)良好，滿足日常工作要求。在準確率測試方面，采用NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)水表后，數(shù)據(jù)報送成功率和準確率均在99%以上，通過管理中心發(fā)送的遠程預制控制指令共計844 條，均100%有效執(zhí)行?？蛻艨赏ㄟ^手機APP 查詢表計狀態(tài)和峰谷用水狀況，實現(xiàn)了水務工作的智慧互聯(lián)互通。

5 結束語

綜上可知，采用窄帶互聯(lián)網(wǎng)技術的智能水表系統(tǒng)后，抄表工作基本實現(xiàn)了自動化需求，系統(tǒng)的準確性、抗干擾性和安全性均有了較大提升。下一步將對水表數(shù)據(jù)可視化進行研究，結合大數(shù)據(jù)分析明確不同區(qū)域、不同時段的用水峰谷數(shù)據(jù)，針對性進行各類資源的優(yōu)化配置，為智能化水務工作奠定基礎。