对GPRS物联网燃气表的应用探讨

上海大众燃气有限公司 顾晓宇

对GPRS物联网燃气表的应用探讨

上海大众燃气有限公司 顾晓宇

从基于GPRS的物联网燃气表在上海大众燃气的研发和应用状况出发，得出了其在实时采集燃气数据方面的完整性和准确性等优点的结论，也指出了制约其发展的瓶颈。同时，也探讨了基于NB-IOT的物联网燃气表在燃气行业应用的优势和可能面临的问题。

数据远传 智能燃气表 物联网燃气表

0 背景

物联网(Internet of Things，缩写IOT)的定义是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网是新一代信息技术的重要组成部分。天然气产业链上中下游正在积极引进和采用物联网技术搭建信息化管理平台。基于数字化技术和物联网技术开发而成的天然气勘探开发一体化应用平台和油气田数字化生产管理系统已经有效地提高了天然气产业上游的生产效率；基于工业物联网和远程通信技术的数据采集与集中监控平台是天然气管道运行和优化管理的核心，有效地促进天然气中游储运产业效率的提升；下游天然气利用的城市燃气等行业引进物联网技术，实时采集燃气用户的用气以及购气动态，有效地提高了燃气行业运行与营销的平衡水平和服务效率。

下游终端用户企业，基于GPRS的物联网燃气表已经在行业内应用多年。GPRS物联网燃气表是通过移动通信运营商的 GSM/GPRS无线公网，以膜式燃气表为基础加装电子控制器，数据远传及控制的燃气计量器具结构见图1。

1 物联网燃气表在上海大众燃气的应用和研发

上海大众燃气试用 GPRS物联网燃气表始于2008年，自2009年开始，小批量使用在世博园区及其他非居民燃气皮膜表用户。目前，因管理需要，基于 GPRS的物联网燃气表推荐应用在 10 m3至100 m3非居民燃气用户表端。

图1 GPRS物联网表系统

1.1 GPRS物联网燃气表采集技术研发

2015年，大众燃气针对在线应用的第一代基于GPRS物联网表的采集技术和数据接收系统、进行了研制和优化，着重研制数据(信号)传输的稳定性和完整性，对公司客户管理信息平台的后台进行了整合，对采集数据的应用也有所加强和提升(研制路径见图2)。

图2 研制路径

在 GPRS智能燃气表的信息采集技术研发方面，除完善燃气表数据定时采集并保存(表盘读数、电池电压、温度、采样时间等)、定时开启无线通信功能上传已采集的数据、接收及启用后台服务器下发的工作参数等已有常用功能外，在智能燃气表原有的功能基础上进行了技术创新，实现了一些定制功能，产品功能及性价比有提升，主要体现在以下几个方面：

(1)电池续航能力新型 GPRS无线智能远传表首次现场安装时采用即时开通模式(感应开关触发)，并且在开通时能及时通过声音提示确认燃气表与后台的无线通信是否正常，从而提高了一次安装成功率。由于采用现场即时开通模式，在开通前电量零损耗，安装前存放不降低电池的使用寿命；优化了通信的启动和链接流程，使通信时间比常规方法可以节省20%，提高了速度且延长电池的使用时间；表内低功耗电路使电路的静态功耗小于8 uA，能有效地延长电池使用寿命；电池具有可扩展性，支持远传表可靠地工作。

(2)采集数据的完整性和准确性燃气表定时开启无线通信功能，上传燃气表中已采集和储存的数据。若设置的上传时间已到，则将未上传的所有记录通过GPRS模块拨号连接网关用TCPIP方式进行传输，保证数据的完整性；技术解决表盘防误读的软件算法，自动过滤异常读数(表盘进位时产生的非稳态异常数据)，保证读数的准确性。

(3)异常监测设计检测电路进行防作弊监控，燃气表能够检测自身在三维几何空间内的运动；检测角度传感器偏离和外罩脱离信号是否产生，以及表盘外罩打开动作，记录作弊并上传后台服务器；监测电池的容量，实现电池低容量报警(用异常电压表示)。

同时，通过与中国移动等通信运营商建立新型的合作模式，使GPRS通信费大级别降低，从而使整个GPRS无线智能远传表系统的运营成本降低。由于通信资费方式的改变，避免了第一代远传表出现由于欠费问题导致数据无法及时上传，从而使系统运行的可靠性进一步得到提高。

1.2 GPRS物联网燃气表的应用效果

就目前的应用而言，基于GPRS的物联网燃气表在上海大众燃气可以准确抄见燃气表读数，可以及时结算燃气费用，减少产销差的周期性统计误差；更精确完整地提供了用户用气负荷的变化情况，为燃气输售气预测和平衡提供依据；有效掌握用户的用气特征，发现各类异常用气，重点监控偷气、漏气，及时报警处理，减少公司损失；新型的通讯管理及资费结算模式，远程表具维护，运行成本得到了有效减低。

2 GPRS物联网燃气表用于终端计量的制约因素

2.1 网络发展的制约

中国移动虽然没有透露2G退网的计划，但早在2014年已决定停止2G的投资；中国联通已列出了对于2G/3G退网的明确计划；中国电信已于2017上半年实现800M LTE/VoLTE/NB-IOT全网覆盖。这些，都意味着2G的相关应用都将是有时效的，作为GPRS网络应用方的燃气公司不得不早日作出选择和应对。

2.2 技术发展的制约

GPRS通信技术受基站覆盖范围的限制，在通信条件差的地方存在通信死角，因此，GPRS燃气表的实际抄收率始终不可能达到 100%。在网络覆盖不到或出现通信死角的区域即使增设中继放大器，有时也未必能达到如期效果；电池功耗问题始终挥之不去，功耗大，电池寿命短。

2.3 安全制约因素

没有物联网的网关，燃气表的信息安全得不到保证；开关阀电流大，阀控是否可靠值得商榷；智能燃气表由于天然气具有易燃易爆性，对通信电流和功率要求较高。

虽然在燃气行业终端计量侧，基于GPRS物联网燃气表单机及系统解决了人工抄表一系列问题，具有公网及集散管理特性，为实现大数据管理和云端数据运行创造了条件，同时为燃气用户计量及管理实现智能化和最终实现真正意义上的“智能化”进行了有前瞻性的探索，但综合上述诸多因素，燃气公司许多基于网络链接的服务场景尚不能通过GPRS得以有效满足。

3 基于NB-IOT的物联网燃气表应用展望

2016年6月16日，NB-IOT技术协议获得3GPP通过，成为史上建立最快的3GPP标准之一，目前已经冻结并可在全球部署。全球主流运营商均对此积极布局，并催生出一系列的商用场景；近期，国内三大运营商相继启动了NB-IOT商用。

作为风口上的技术，一年多来，NB-IOT炙手可热，确实给各个物联网技术和应用参与者诸多想象空间，NB-IOT技术的功能特性也似乎能很好地解决燃气企业运营中所面临的痛点问题。依托NB-IOT技术，“实现在线抄表、远程监控、大数据分析等，加速推进能源企业的网络智能化、行业生态化、运营智慧化”,这样的提法与现有传统燃气企业融入互联网+的期待不谋而合，同时在业务层面，依托NB-IOT技术，燃气公司在用户端安全管理、服务管理中可以发挥更多更大的作用,服务场景可以更加丰富有效。

3.1 基于NB-IOT的物联网燃气表的优势

3.1.1 技术优势

从理论上讲，NB-IOT具备广覆盖、海量联接、低功耗等优势。广覆盖方面，同样频段下 NB-IOT比传统GSM网络增益20 dB，能够大幅改善室内、地下等场景的深度覆盖需求；海量联接方面，NB-IOT每扇区可以提供大约10万个联接，相比现有物联网技术多100倍；低功耗方面，NB-IOT功耗仅为GSM的1/10，终端模组使用AA电池可以持续工作10年。

3.1.2 产业政策优势

根据《国家新一代信息技术产业规划》，建设NB-IOT网络成信息通信业“十三五”的重点工程之一；工信部也全力推动NB-IOT标准化，更指出了NB-IOT商业化的具体目标，到2017年末，实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市，基站规模达到40万个；到2020年，NB-IOT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。同时，要求推广NB-IOT在细分领域的应用，逐步形成规模应用体系，2017年实现基于 NB-IOT的M2M连接超过2000万，2020年总连接数超过6亿。

3.1.3 产业生态圈逐步形成优势

从物联网的纵向产业链来看，比较长，目前已形成从“底层芯片—模组—终端—运营商—应用”的完整产业链。2017年6月27日，华为技术有限公司联合北京燃气、深圳燃气、上海燃气、重庆燃气、香港中华煤气、华润燃气、新奥燃气、中国燃气、昆仑能源和杭州燃气等十家燃气运营商，以及以航天能源、上海飞奥为代表的智能设备与服务提供商共同成立“NB-IOT智慧燃气联合创新实验室”和“NB-IOT智慧燃气生态圈”。包括运营商、设备商、终端芯片厂商以及行业合作的NB-IOT生态圈正在形成。

3.2 有待解决的问题

笔者认为，虽然NB-IOT风头正劲，但目前在国内的应用尚处于起步阶段，由于燃气行业的特殊性，大规模商用不宜操之过急，可小规模进行尝试。基于NB-IOT的物联网表在燃气行业可能需要解决如下问题：

(1)退网难度。就物联网而言，NB-IOT等低功耗广域网络的部署其实与2G退网与否没有直接关系，NB-IOT完全可以通过现有频谱实现全网部署，但是关键在与它与2G在业务方面确实存在一定关联。目前来看，较多的目光集中在芯片、模块和终端成本，若燃气用户已部署植入了GPRS模块的表具终端，这些终端向NB-IOT迁移时需要重新改造终端，这无疑给燃气公司带来除了上述成本之外的服务成本甚至时间成本。

(2)实际功耗。理论上说，NB-IOT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IOT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以大幅提升。但是假设因其“海量链接”在同一NB-IOT物联网燃气表中植入多种传感器以适应多种服务场景需求并改变数据交换频率，则实际功耗究竟如何还有待进一步试机验证。

(3)安全问题。与同样是热点的 LORA技术相比，NB-IOT在网络层，数据传输是否安全，存储是否安全，是燃气公司比较关注的问题。目前来看，在NB-IOT的运营管理上，运营商都有意运作自己的云平台，这势必会对数据安全管控意识较强的燃气公司是否选择NB-IOT产生一定影响。另外，燃气表对安全性要求相比水表电表更高，而目前为止，针对NB-IOT燃气表的安全性测试报道尚无。

(4)产业链协同。因产业链较长，NB-IOT的真正落地规模化部署在燃气用户端也需要多参与方的协同，尤其在“应用为王”的互联网时代，虽然芯片、模组非常重要，但真正让这些装置发挥效用，体现交互数据的价值的，还是基于各种服务场景开发的应用软件，而这些应用，最需要有平台数据接入经验，有研发经历，了解GPRS应用短板的燃气公司参与。同时，长期以来,国家没有建立智能燃气表行业的统一的标准体系，这给产品设计、制造、实验、验收、管理等方面带来诸多不便和影响,系统厂商们的开发能力参差不齐，尤其在传输层，行业内同类产品接口及协议不统一、不兼容，产品形式与功能不规范,多种数据格式给燃气公司后续的抄表账务平台处理带来了诸多不便。因此，产业链协同效应在各链接点是否发挥得恰到好处，也是值得关注的问题。

4 结语

随着物联网概念的不断深入，各类网络、通信技术的发展，燃气行业也将在计量端迎来新一轮的技术升级，无论开发怎样的燃气表表具功能，燃气公司都应当围绕确保安全、提高服务效能的宗旨作相应选择。

Application of Gas Meter Based on GPRS in Internet of Things

Shanghai Dazhong Gas Co., Ltd. Gu Xiaoyu

This article indicates the advantages of gas meter based on GPRS applied and researched in Shanghai Dazhong Gas Company, such as real-time collection of data integrity and accuracy, and points out the bottle neck of its development. The author also discusses the advantages and possible problems of gas meter based on NB-IOT to be faced by the gas industry.

Data remote transmission，Intelligent gas meter，Gas meter based on Internet of Things