基于窄带物联网技术的低压电表集抄应用

刘柱辉

（中国电信股份有限公司东莞分公司，广东 东莞 510630）

1 引言

窄带物联网（NB-IoT）在当今信息世界中的应用展现出了一日千里的景象，作为新一代信息技术的先进代表，它是无线互联网、传感器和射频识别等技术的深度融合。电表远程集抄是窄带物联网在电表行业的应用，是利用NB-IoT信息技术实现电表维保单位、物业管理单位、电力使用客户、电表检验部门和动力监管部门的信息与数据交互。因此，电表窄带物联网技术是现代信息技术与传统电表应用的全面融合，必将深远影响着电表应用的发展。

2 窄带物联网技术

窄带物联网俗称万物相连的互联网，是现代科学技术不断发展的产物，是随着信息技术的不断普及而产生的。继计算机时代、互联网时代后，窄带物联网时代逐步蔓延开来，成为第三次信息技术革命。简而言之，窄带物联网仍然是基于互联网的基础上，以互联网技术应用为核心，但是更为重视现代互联网基础上的拓展和延伸。互联网用户端不断延伸，拓展到了不同物体与物体之间，并进行了物品之间的信息交换。这种信息沟通方式被称为窄带物联网模式。窄带物联网模式凸显了互联网信息技术的优势和地位，强调了互联网存在的普遍性和跨空间性。窄带物联网模式具有鲜明的时代性和信息科技化，具备全面感知性和可靠的传送性，并能够在现代信息技术的支持下实现智能化控制和处理，对于电表窄带物联网的发展而言，意义极大。

2.1 窄带物联网技术发展

窄带物联网诞生的必然性是寄托着电信行业对物联网市场的憧憬。其前身可以追溯到中国华为与英国沃达丰在2014年共同提出的NB-M 2M。由这两家公司首次提出的窄带蜂窝物联网概念一经提出即得到了业界的广泛认可，随后越来越多通信行业的巨头加入到这一方向的标准化研究中。第三代合作伙伴计划(3GPP)为了促进标准的统一有利于产业发展，在2015年9月无线接入年会全会达成一致，确立NB-IoT为窄带蜂窝物联网的唯一标准。2016年起，中国通讯运营商积极响应国家“互联网+”战略，与华为、中兴针对NB-IoT展开合作，成立物联网联合创新项目组。窄带物联网在2016年下半年涌现出更多的商业应用，开启了巨大的“蓝海”市场，并将在各行业出现爆炸式增长。

2.2 窄带物联网体系架构

窄带物联网的目的就是为了让物件拥有“感知”，实现人能获取到万物的重要信息而实现管理。为了发挥窄带物联网的作用，其体系架构按照行业规范有三部分：感知层、网络层和应用层，如图1所示。

图1 NB-IoT体系架构

感知层位于窄带物联网架构的最底层，作为获取物件信息的基础，采集物的状态信息、地点信息、运行数据。设备组件包含各种传感器、标签识别器、智能设备识别器、工业现场总线等，把物的状态信息、运行数据传输到传感网关。由传感器技术、二维码技术、RFID射频识别技术、工业现场总线技术（如RS485、CC-Link）等组成了感知层的关键技术，正如人类感知冷暖的皮肤，提升了物件的交互性。

窄带物联网网络层，对比原来的物联网实现了跨越式变化。待机寿命长，超过十年；接入容量大，单个小区能支持10万连接；覆盖范围广，在同样的频段下，NB-IoT比原有无线网络增益20dB，覆盖面积扩大100倍，为感知层所获得的数据提供更可靠性、更安全性、更高效率的远距离传输通道。网络层的关键技术为移动蜂窝定位技术、Internet互联网技术、2G/3G/LTE无线接入技术、无线传感器网络技术等，正如人类传递感知的神经，这促进了物件信息的可靠传递。

NB-IoT应用层负责把感知层采集信息与网络层传输数据进行分析提取处理，实现远程监视和控制，达到智能化管理效果。因此，应用层一般包括两个子层：通用能力设备层和应用程序层。通用能力设备层利用强大的后台服务器和工作站，对数据进行存储、分析和处理；应用程序层主要提供人机操作界面，人们通过终端设备监视和控制各种窄带物联网的物，以及获取经后台服务器提供的各种应用。应用层的核心关键技术包括中间件技术、云计算技术、数据挖掘技术、人工智能技术等，正如人类发号施令的大脑，实现物联网信息管控性。

3 电表物联网技术

3.1 电表物联网的发展

目前电表窄带物联网主要用于远程电表集抄监控。2016年中国电信运营商在北京、上海、广州、深圳、福州、长沙、银川7个城市启动了基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外场规模组网试验，并将于2018年开始全面推进国家范围内的NB-IoT商用部署；中国电信已于2016下半年部署了基于NB-IoT网络电表集抄业务，正大步推动着能源电表管理进入了万物互联时代。

3.2 电表窄带物联网的体系架构

基于行业制定标准，同样采用感知层、网络层和应用层三层体系架构的电表集抄物联网，如图2所示。

普遍采用微控制器来控制的电表，本身就是一个智能设备。因此，电表控制器是电表窄带物联网感知层的核心组成部分。除了电表控制器外，还包括视频传感器、变压器、采集器、红外传感器、RFID标签等设备，实现检测电表运行状态的功能。这些传感器与网络路由器连接，或与电表控制器连接后，再由电表控制器把数据传输到数据采集通信器。

图2 电表集抄物联网

电表窄带物联网网络层主流使用2G/3G的LTE无线接入技术。该技术依托电信运营商800M物联网传输，结合NB-IoT技术覆盖广、待机寿命长、接入容量大的特点，通过电信NB物联网卡实现物联网物品信息的接入和数据的交互，采用的是NB网络模组和运营商NB物联网卡，不但缩短前期安装周期及后期网络维保成本，还解决在用电表快速改造、新装电表便利接入的问题。

电表窄带物联网应用层的功能：利用网络管理技术、Web服务技术、智能APP技术、人工智能技术，通过对电表实时数据、运行动态数据的分析处理，向供电企业提供对地区设备、环境等信息进行收集、维护和整理。为顺利地进行项目建设，以及后期维护工作，可通过建设信息化系统来协助管理及完成工作，以提高工作效率，完善数据管理，提高数据的准确性及利用价值，提高信息利用率及企业产值。

4 电表窄带物联网的应用设计

4.1 电表窄带物联网感知层的总体设计

电表窄带物联网感知层由各种检测开关、传感器、电表控制器和数据采集通信器等组成，如图3所示。

电表控制器本身包括各种检测发生器、传感器，用于控制电表运行。采集信息的元器组件，就如同是电表控制器的“五官”和“皮肤”，是实现定时检测和采集控制的重要环节。利用这些检测装置，可以获取电表的位置、用电读数、电流波动、电路状态、环境情况、用户身份等信息。电表控制器把电表上的环境传感器、电表开关检测的信息采集和转换信号后，经过RS485串行通信，把数据传给无线通信器，再由无线通信器经过2G/3G无线网络把数据传给后台服务器。另一方面视频传感器是独立于电表控制系统的，主要用于监控大型电源变电站情况。由于视频的数据量大，一般通过小区监控DVR设备前端视频存储，再通过INTERNET路由器，把数据从INTERNET网络传到后台服务器。

图3 感知层器件

4.2 电表窄带物联网应用层总体设计

电表窄带物联网应用层是基于linux、unix、w indows平台，采用开放式JAVA、C+语言开发的。其信息内容包括管理单位、维保单位、检验单位、监督单位、电表厂家、用户信息、工作地图。在电表上实现用电取数、电表位置、维保跟踪、远程监控、维护运营、资源调度等方面的使用需求。根据用户需求，NB-IoT应用层设计包括移动客户端模块、云端平台管理系统模块两部分。

4.3 电表窄带物联网技术在移动客户端模块的应用

移动客户端模块是为了满足使用电表窄带物联网的作业人员的需要，由于经常在户外面施工，手机和移动终端是不可或缺工具，因此在该方面作出应用研究。

(1)用户登录。用户直接在手机上登录客户端系统，每个用户可分配对应的用户名及登录密码，密码可自行管理。每个用户可下载不同的工作任务，提交完成的任务数据。

(2)勘察定位。登录系统后，系统可通过卫星信号自动定位当前位置，可手动在卫星地图上定好准确位置后，再录入各项勘察信息。可进行多个位置定位，并记录定位信息。不同的设备定位，勘察录入信息、界面均有不同，以确保数据准确无误。

(3)移动跟随。系统设有卫星跟随功能，只要开通APP并登录，即可记录当前用户的行动轨迹，同时可准确定位实际位置。可对地图上任意两点进行距离测算，方便勘察人员对台区环境进行合理判断。定好的位置，勘察的数据，在未向云端正式提交信息之前，可点击修改定位位置及相关信息。

(4)搜索功能。系统可读取云端服务器上的任务信息，并可下载到手机本地，可进行模糊搜索，快速找到信息。勘察的各项信息设有常用的默认选项，方便户外操作快速完成任务。搜索功能强大，输入台区号、册号、户号、资产号等信息均可进行模糊查找，快速查找到匹配信息。

(5)信息提交多样化。现场查找、录入信息方便快捷，同时开发有条形码、二维码扫描读取信息功能。

(6)图片上传。可将现场勘察的环境进行拍照上传，可上传多个图片，方便后端人员及施工人员确认现场环境。

(7)异常勘察。对找不到、拆迁、销户等异常数据进行特殊勘察信息提交，后台可快速归类。

(8)方案表信息。在现场勘察完一个台区后可提交总方案表，系统自动统计合计信息如表箱数量、采集器数量等等。

(9)数据提交。在云端已经审核的勘察数据，可随时搜索下载，对保存的定位信息，可进行位置导航，随时可在地图上找到设备位置。

(10)定位导航。对勘察定位的地址，可随时调出地图进行导航，可方便勘察人员、施工人员快速找到定位地址。

(11)定制客户端。可为施工人员、维护人员独立定制开发移动APP系统，实现手机接收施工任务、维护工单信息，在线远程提交竣工设备信息、处理维护信息。可导航到设备的位置，如有错误可修改定位信息并提交。施工人员通过APP现场下载勘察数据，APP扫描采集现场设备数据进行匹配后，再同步到后台系统，提高效率同时减少手工录入出现的错误。

4.4 窄带物联网（NB-IoT）技术在云端平台管理系统模块的应用

(1)系统桌面。系统登录后看到的第一个页面，上面内容可提取系统上重点的信息，如公告信息，最新的项目信息，待处理工作（任务）等等。

(2)任务管理。可导入现有格式的第三方资料信息，并减少手工录入，根据导入的任务信息，根据计划安排给对应的用户。

(3)数据成果管理。每项勘察数据自动汇总成报表，可进行分类查找，设有多个条件的搜索，如时间、工作人员、台区、资产编号等等。目前分有电表数据、变压器数据等报表。数据上包含勘察时添加的关联信息，如采集器关联哪些电表，集中器关联哪些采集器、哪些电表。

(4)卫星地图数据。根据台区进行数据查找，可调出台区内各项定位信息，包含电表、变压器、采集器、集中器等设备定位信息；可进行距离测算，对定位信息可进行修改；不同的图标，不同设备采用不同颜色的图标进行标示；设计人员可直接剪接地图使用，减少设计时间。

(5)数据导出。平台数据可进行分类导出，导出格式按不同需求进行了样式设计；可筛选出多个台区数据，一次性导出设计好的excel报表；可导出适合谷歌地球使用的txt文件、km l文件；极大提高信息利用率，方便设计人员快速整理台区设备卫星分布图；通过安全考虑，可随时追查数据导出记录。

(6)施工、运维管理。任务管理提前导入任务信息并安排到指定的施工班组，这个功能可给施工单位使用；可查看任务完成情况，资料提交信息审核管理；后台维护工单管理，安排维护维修工单，跟踪工单完成过程及结果情况。

5 结束语

本文所述电表集抄窄带物联网的用电取数、电表位置、维保跟踪、远程监控、维护运营、资源调度等功能应用，已在我司大客户推广使用。经过将近两年的现网验证，电表取数时间大幅度缩短，日常维保效率得到有效提升，电表故障发生率明显降低。基于窄带物联网在电表行业的应用虽然仍存在一些短板，如市场推广度不足、移动通信数据缺乏互联互通、终端芯片标准不一等，但应用前景广阔，将是行业发展的热点与方向。