基于NB-IoT的远程智能抄表应用研究

唐明军

（扬州工业职业技术学院 信息工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引 言

随着信息技术的快速发展以及大数据的实际应用，物联网技术已经在社会各个领域取得了重要应用[1]。根据物联网协会统计数据，预测到2020年，物联网将达到百亿级通信连接规模。在传统的H2H模式到M2M模式下，人工对水表、电表、热能表以及燃气表的抄表存在劳动力成本高、计量不精确等方面的问题。应用GPRS技术可以实现远程抄表，但是GPRS同时存在定位能力差、信号弱以及数据更新不及时等方面的弊端。

远程抄表技术需要满足低功耗、广覆盖、易接入等方面的要求，窄带物联网NB-IoT适应了远程抄表的网络传输的基本要求，能够有效解决远程抄表过程中所面临的各项问题。例如，在水表的抄表中要求信号能够具有较强的穿透能力，在燃气抄表中要求能够具有良好的实时性。通过设计对应的APP可以实现不同用户对于数据的读取以及反馈，也可以方便自来水公司、供电公司等管理部门进行科学计量与数据分析。

1 系统方案设计

1.1 NB-IoT通信技术

NB-IoT属于LPWAN的授权频段的技术应用，根据规定工作在500 MHz～1 GHz。在实际工程应用中采用了超级电容以及PSM等节电技术，NB-IoT的使用寿命超过了10年，能够满足远程抄表对长距离数据传输以及低功耗等方面的实际需求[2]。

NB-IoT技术采用的调制方式可以保证数据的重传与比对，有效提升了数据通信的可靠性。NB-IoT远程抄表与目前其它的数据通信方式对比具有显著的优势。

1.2 系统架构

远程抄表的对象就是在空间分布较为分散的各种水表、电表等仪表（多为智能仪表，传统的机械表可以采用转换仪器实现智能化数据输出）。因为仪表一般都处于较为隐蔽的场所，所以在传输过程中信号会产生额外的损耗。同时，由于仪表位置与接收终端位置的水平高度不同，信号传播也会产生一定的损耗。根据测算，数据传输过程中产生的总体损耗一般会达到20 dB左右，因此在远程抄表中要充分考虑到现实的问题，远程抄表系统架构如图1所示。

图1 远程抄表系统架构图

2 NB-IoT远程抄表关键技术

2.1 核心网

远程抄表所涉及到的水表、燃气表、电表以及热能表的能量传输都属于小规模数据传输，因此项目设计阶段采用了SCEF，通过SCEF在网络中提供了一个抽象的网络接口。核心网的基本功能是在数据传输过程中，NB-IoT将数据通过上行信道传输到MME，通过SCEF与窄带物联网服务器连接，以实现窄带物联数据的传输[3]。

2.2 工作模式

NB-IoT占用了180 kHz的频谱带宽，在实际使用过程中可以采用独立部署、带内部署以及保护带部署的方案。不同的部署方式，信号的抗衰减能力也有不同。NB-IoT的工作模式是采用半双工模式进行信号的核验，判断基站与终端之间的数据传输是否准确。

系统采用半双工的工作模式就是为了适应远程抄表必须具备的低功耗特征。系统在Type A以及Type B两个不同的模式工作，通过在两个模式进行转换可以使得系统具有较长的时隙，以保证信号传递的可靠性进一步加强。同时，不同模式之间可以通过跳频技术进行载波起始位的有效重新存储以及随机存取的前导。

2.3 信号接入

采用NB-IoT技术实现对居民小区的仪表信号接入方式上可以采用基于竞争的信号随机接入，也可以采用非竞争的窄带信号随机接入方式。在信号连接过程中需要将NB-IoT设置为容许信号延迟，以满足仪表数据读入的时延问题，实现数据的同步传输。NB-IoT终端接收到基站的指令时，终端自动完成时延，基站连接释放，NB-IoT终端进行数据的保存。通过这样的延迟方式，避免了终端在每一次数据接收时的重复唤醒，有效降低了NB-IoT终端的模式切换时的数据交换量，降低了系统的功耗[4]。

2.4 数据传输

NB-IoT终端完成数据采集后，需要将数据传输到基站，再经过基站传动到系统数据库或者指定的终端显示上。由于终端在同一时刻只能使用一个固定的载波进行数据传输，因此通过多次数据传输进行信号的鉴别，以有效降低数据传输的错误率，避免信号不正确的传输。在数据传输过程中，最为重要的就是对各个仪表的所在小区的位置确定，也就是小区搜索。

小区搜索中采用x（n）表示通信基站发送的OFDM信号，r（n）表示终端的接收信号，数据远程传输的信道特征函数为h（n），将信道中的干扰（主要是高斯白噪声）定义为w（n），则数据的传输特性公式为：

对信号进行NPSS同步，并消除同步脉冲信号，采取IDTFT进行变换，得出输出信号的频域表达式为：

利用互相关函数对NSSS进行检测，从Ri(k)中进行频域采样，检测用的频域点越多，则检测的准确度越高，但是也会给系统的传输带来延时。采用互相关函数进行小区搜索可以有效提升工作效率，降低系统的硬件设备成本。本设计中构建的互相关函数为：

3 射频测试

在射频信号传输测试中采用了NB-IoT终端移动版开发模块与NB-IoT网络连接。测试采用了Amari LTE100软件，USRP C210射频信号处理模块，同时还需要SIM卡、发送与接收天线、高频数据传输线等。采用SSCOM在程序编写时进行数据串口的调试，应用TCP/UDP进行应用系统环境的模拟，对NB-IoT的发送功率以及衰减进行射频测试。测试结果显示发送功率的平均值为20 dB，泄露比小于19 dB，满足了NB-IoT模块的实际需求。

4 APP设计

为了能够方便进行数据的观测，基于android进行了APP开发，其UI界面要具有良好的交互性，包括颜色配置、功能按钮，以适应手机的显示要求与效果。

采用了阿里云服务器对远程抄表进行了服务器搭建，同时对接口的协议文件进行编写，对于APP的编写采用Axure进行了软件的界面开发，实现了软件逻辑，并在服务器上进行测试，最后按照软件测试流程对软件进行测试并正式发布。

5 结 论

随着物联网技术的快速发展以及大数据的不断普及，对水表、热能表、燃气表以及电能表等常用数据的读取经历了人工读取、GPRS、LoRa等阶段，但是都没有能够实现高覆盖率以及低功率、大数据、强连接的要求[5]。文中基于NB-IoT技术对远程抄表的系统架构、数据传输协议规范以及射频测试等做了详细的阐述，同时开发了对应的APP，满足用户对于数据的查阅以及在线服务等。NB-IoT技术在远程抄表领域的应用具有重要的市场推广价值。