初探NB-IoT技術(shù)在智能水表領(lǐng)域中的應(yīng)用

周斌

三川智慧科技股份有限公司 江西 鷹潭 335200

引言

為解決抄表難、管理難等問題，供水公司逐漸推廣應(yīng)用智能水表，有效解決調(diào)試難度高、維護(hù)難度高的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)用水情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在智能水表中逐漸引進(jìn)NB-IoT技術(shù)，有效降低了成本，提高了覆蓋范圍，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

1 NB-loT關(guān)鍵技術(shù)

NB-IoT是建立在LTE技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)NB-IoT應(yīng)用需要進(jìn)行改變。首先物理層采取200kHzRF帶寬，數(shù)據(jù)信息均要使用調(diào)制調(diào)解器。主要在GSM、TLE、UMTS三種網(wǎng)絡(luò)中部署，采取帶內(nèi)部署、獨(dú)立部署以及保護(hù)帶部署三種形式。上行采取SC-FDMA調(diào)制方式，發(fā)射功率為23dBm，在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)下可以進(jìn)行平滑升級(jí)，快速完成網(wǎng)絡(luò)覆蓋，具有較高的網(wǎng)絡(luò)可靠性。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商授權(quán)的頻段，整個(gè)安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，方便進(jìn)行維護(hù)。相比于GPRS，NB-IoT覆蓋提高了20dB+，上行功率加強(qiáng)17dB。在2G/3G/LTE技術(shù)中，譜密度為200mW/180kHz[1]?？墒褂贸Ｒ?guī)電池供電，使用PSM省點(diǎn)模式，閑置狀態(tài)下收發(fā)信機(jī)關(guān)閉。采取eDRX擴(kuò)展接收，信道偵聽周期增加。終端在完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送后，會(huì)自動(dòng)保持休眠狀態(tài)，在接到數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，才會(huì)喚醒發(fā)送數(shù)據(jù)。由于使用復(fù)雜度低的基帶，協(xié)議簡(jiǎn)化。使用2G/3G/4G芯片，能夠完成大數(shù)率的傳送，NB-IoT芯片支持低速率、窄帶，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)采取半雙工、單天線方式，對(duì)信令處理進(jìn)行簡(jiǎn)化，有效降低成本。

2 在智能水表領(lǐng)域中NB-loT技術(shù)的應(yīng)用

2.1 智能水表結(jié)構(gòu)

智能水表采取應(yīng)用層、終端層、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層包括核心網(wǎng)和基站。在不同層級(jí)中依賴于大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。終端層是指用戶水表端，位于物聯(lián)網(wǎng)基層，借助于傳感裝置采集流量、水質(zhì)以及水壓，該功能利用物聯(lián)網(wǎng)通信組件實(shí)現(xiàn)，連接物聯(lián)網(wǎng)基站，有效提高終端控制性。網(wǎng)絡(luò)層包括核心網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)基站，能夠?qū)⒔K端信息傳遞給核心網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行終端信息的處理以及交互。轉(zhuǎn)發(fā)給物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行信息處理。核心網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)和獨(dú)立組網(wǎng)形式，核心網(wǎng)絡(luò)采取多網(wǎng)元結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收集終端數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)需求和類型的分析，發(fā)放給應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理。應(yīng)用服務(wù)器連接功能負(fù)責(zé)采集轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并用于對(duì)設(shè)備的管理。管理功能能夠收集并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及調(diào)用。查詢功能能夠感知、控制并進(jìn)行診斷。應(yīng)用層作為最上層，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)用戶需求，控制能力超強(qiáng)，根據(jù)需求利用IoT技術(shù)開發(fā)功能。

2.2 主要功能

為了讓智能水表采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行智能控制，一般需要配置SIM卡用于儲(chǔ)存識(shí)別數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)購(gòu)買SIM卡，設(shè)置對(duì)應(yīng)的識(shí)別碼、鑒權(quán)算法、秘鑰等信息，生產(chǎn)SIM卡。水務(wù)部門要提出SIM卡購(gòu)買、激活、鑒權(quán)以及上電等需求。水務(wù)部門負(fù)責(zé)智能水表實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)方負(fù)責(zé)運(yùn)維業(yè)務(wù)。智能電網(wǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟾?，通常情況下傳輸方案包括UP、CP兩種。CP方案優(yōu)勢(shì)在于摒棄無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸借助于NAS信令處理，實(shí)現(xiàn)連接物聯(lián)網(wǎng)。UP方案結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和LTE有相似之處，管理無(wú)線資源有恢復(fù)宣貫功能。在沒有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，可以臨時(shí)懸掛用戶數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)可快速恢復(fù)功能。

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

在傳統(tǒng)水表基礎(chǔ)上，添加一體化芯片，不容易受到水銹影響，保持探測(cè)精度。加裝金屬膜葉輪能夠通過(guò)傳感裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬏旊娦盘?hào)，運(yùn)送至微處理器接口，計(jì)算得出流體流量。內(nèi)部安裝定時(shí)狀態(tài)機(jī)對(duì)信號(hào)自動(dòng)探測(cè)，微處理器處理信號(hào)，在加密處理后封裝至報(bào)文中，最終通過(guò)NB-IoT模組向外發(fā)送。供電采取鋰電硫酰氯電池，以8.5Ah容量持續(xù)運(yùn)行10年[2]。NB-IoT模組使用BC95硬件，功耗率，接收靈敏度高，可以向云平臺(tái)傳送數(shù)據(jù)。云平臺(tái)則使用運(yùn)營(yíng)商基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建立的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，終端在該平臺(tái)注冊(cè)可以通過(guò)HTTP、MQTT以及CoAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)及時(shí)傳送數(shù)據(jù)。NB-IoT智能水表在水務(wù)管理中心均具備對(duì)應(yīng)的服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)終端的管理，客戶端采取B/S架構(gòu)基礎(chǔ)上的Web網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)。最后需要對(duì)NB-IoT技術(shù)測(cè)試，達(dá)到良好抄收成功率后可進(jìn)行應(yīng)用。

2.4 優(yōu)點(diǎn)

NB-IoT工作頻段采取授權(quán)頻段，在復(fù)雜接線環(huán)境中，信號(hào)穿透能力強(qiáng)，能夠避免通信不通暢問題，頻段覆蓋的范圍更廣，有利于控制建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的成本。同時(shí)NB-IoT傳輸數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，在統(tǒng)一規(guī)劃下能夠抵抗外部干擾，可靠性高。電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)NBIoT高度重視，借助于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件，建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具備基礎(chǔ)條件。通過(guò)建設(shè)專用網(wǎng)元，能夠和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隔離，實(shí)現(xiàn)防御外部攻擊的作用，能夠?qū)K端訪問權(quán)限進(jìn)行控制，隔離水務(wù)部門網(wǎng)間，保證物聯(lián)網(wǎng)安全性。建立虛擬專用網(wǎng)絡(luò)方便客戶訪問智能水表內(nèi)網(wǎng)，獲取有用信息。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)適應(yīng)性高，協(xié)議靈活，面對(duì)數(shù)量龐大的終端，能夠在一個(gè)協(xié)議上進(jìn)行入網(wǎng)終端的控制。由于采取開放式應(yīng)用程序，建立水務(wù)上有突出優(yōu)勢(shì)。利用物聯(lián)網(wǎng)，水務(wù)部門對(duì)智能水表終端具備感知、控制和診斷的能力，客戶也可以自由查詢水表終端狀態(tài)，提高交互的便捷性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在智能水表中應(yīng)用NB-IoT技術(shù)具有與突出優(yōu)勢(shì)，有利于降低功耗、提高安全性，保證用水計(jì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)管，提高了供水公司和客戶的便捷性。未來(lái)還需要進(jìn)一步融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，提高水務(wù)管理效率，為客戶提供更人性化服務(wù)。