NB-IoT技术在智慧燃气中的应用实践

李金陆

摘 要 传统物联网燃气表在应用中存在抄表难、功耗高、网络覆盖差等问题，基于NB-IoT技术的物联网燃气表将NB-IoT技术与传统的膜式燃气表结合起来，具有大连接、广覆盖、低功耗、低成本、低速率等特点，可以较好地解决上述问题。本文从管理平台和智能物联网表端两方面总结了NB-IoT技术在智慧燃气中的应用，分析了其广阔的应用前景。

关键词 NB-IoT;管理平台;智能物联网表

Practice and application of NB-IoT in the field of intelligent gas

Li Jinlu

Tianjin Jinran China resource gas co.，LTD  300100

Abstract Traditional IoT gas meters exist many problems， such as hard meter reading， high power consumption and poor network coverage， NB-IoT gas meters combine NB-IoT technology with traditional membrane gas meters， it has a large connection and wide coverage， low power consumption， low rate and low cost etc.， can better solve the above problems. This paper summarizes the application of NB-IoT technology in intelligent gas from the aspects of management platform and intelligent IoT gas meters， and analyzes its broad application prospect.

Key words NB-IoT; Management platform; Intelligent IoT gas meters

引言

NB-IoT是一種基于蜂窝网络的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWA）[1]。基于蜂窝的窄带物联网已经成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现利用现有基站的平滑升级。

天然气作为一种优质的清洁能源，不仅可以强力促进国家安全高效的现代能源体系的建立，同时也可以助力我国化解环境约束、改善大气质量，提高民众生活质量。

津燃华润公司作为燃气行业中的领导者之一，在2019年更换物联网表数40余万块，包括全市区域，惠及40余万燃气用户、120余万人口。

本文结合天津居民的实际应用情况，通过分析传统智能燃气表普遍存在的问题及NB-IoT物联网燃气表的优势，从云平台、IoT平台和表具终端协同发展等方面总结了NB-IoT智能燃气表应用方案，并展望智慧燃气发展趋势。

1当前燃气行业的痛点和挑战

城市燃气企业商业运营模式就是通过管网输送商品， 通过表具进行计量和贸易结算，完成供气、销气和服务的。近年来城市燃气取得了巨大的发展，但由于城市燃气业务涉及城市安全、百姓服务满意、企业自身盈利、区域能源供需平衡等多方挑战，燃气企业运营也一直存在诸多管理难题。

1.1 抄表难、收费难

传统的人工抄表，除了存在入户难的问题，另外对于中小型燃气公司，抄表外勤工人动辄上百人，需要大量的人力，抄表效率低[2]。计费系统往往待抄表数据录入后才能给出计费账单，整个过程费事费力，导致用户对服务满意度下降，燃气企业利益受损。

1.2 功耗问题

传统智能燃气表的高功耗问题，是燃气企业迫切需要解决的问题。由于功耗大，需频繁更换电池，将增加维护成本和管理难度。目前国内民用燃气表国家强制更换周期为10年，许多智能燃气表寿命一致性较差，难以达到企业要求。

1.3 网络覆盖问题

目前，国内许多燃气表安装在楼道内、室内或地下，安装环境相对复杂。因此对网络要求较高，为保证传输效果往往需要加装信号放大器，但效果不尽人意，造成抄表率极不稳定[3]。

2NB-IoT智慧燃气解决方案

2.1 NB-IoT的优势

NB-IoT，即基于蜂窝的窄带物联网，作为远距离无线通信技术中的佼佼者，NB-IoT具备大连接、广覆盖、低功耗、低成本、低速率这五大亮点[4]。

（1）大连接。NB-IoT基站的单扇区可支持超过5万个UE与核心网的连接，比现有2G、3G、4G移动网络有50-100倍的用户容量提升。

（2）广覆盖。NB-IoT与GPRS或LTE相比，最大链路预算提升了20dB，相当于提升了100倍，即使在地下车库、地下室、地下管道等普通无线网络信号难以到达的地方也容易覆盖到。

（3）低功耗。NB-IoT可以让设备一直在线，但是通过减少不必要的信令、更长的寻呼周期及终端进入PSM状态等机制来达到省电的目的，有些场景的电池供电可以高达10年之久。

（4）低速率。NB-IoT单用户速率只有20kbps，单用户测试上行理论峰值速率15.6 kbps，下行理论峰值速率21.25 kbps[5]。

（5）低成本。低速率、低功耗、低带宽可以带来终端的低复杂度，便于终端做到低成本。同时，NB-IoT基于蜂窝网络，可直接部署于现有LTE网络，运营商部署成本也比较低。

2.2 NB-IoT智慧燃气整体设计方案

NB-IoT智慧燃气抄表系统主要由智慧燃气终端模组与智慧燃气应用平台构成。系统总体结构如图1所示。智慧燃气表终端模组完成终端感知层的数据发送，在网络上层提供并建立智慧燃气应用平台，整个数据传输网络有运营商来构建、维护。具体工作流程如下：通过智慧燃气表终端模组进行实时环境参数采集，其中包括燃气表读数、电池电压、用气量、阀门状态等信息;再通过NB-IoT把采集到的参数或信息发送给智慧燃气应用平台;由智慧燃气应用平台对数据库进行相应的处理，并对环境参数进行判断或报警。通过智慧燃气应用平台，燃气企业可远程操作智慧燃气表终端模组，实时采集智慧燃气表流量信息、检测设备状态、下发控制指令。通过远程监测，燃气企业也可以将燃气数据精准地反馈给用户，用户通过网页、APP等连接到智慧燃气应用平台进行便捷服务，打破传统、单一的人工缴费模式，有效提高用户的满意度。

3NB-IoT智慧燃气实践方案

3.1 NB-IoT智慧燃气技术标准制定

（1）市场调研。NB-IoT作为一种新兴技术，在天津市区大面积推广之前，天津华润燃气集体带头调研全国各大燃气集团及各大单体燃气公司实施应用情况。最终确定由津燃华润制定统一技术标准。

（2）标准制定。和三大运营商、智慧燃气管理平台软件公司、多家终端厂商进行探讨，制定统一软件规范，体现标准的科学性和前瞻性。

1）基于NB-IoT的智能燃气表

将 NB-IoT 技术与传统的膜式燃气表结合起来，可具备以下传统膜式燃气表所不具备的优势：计量数据可无线传输到云平台，实现大数据分析;实时在线的实现燃气表远程抄表，为我国阶梯气价提供技术保障;用气余量以及电量不足时可实时报警，同时具备防拆、泄漏报警等功能;燃气企业可对燃气表进行远程监控;另外，NB-IoT物联网燃气表比传统物联网燃气表有一个突出的优势，即NB-IoT物联网燃气表开启PSM功能后，每次上报结束后30s左右终端自动进入PSM状态，在该状态时，表具功耗非常小，当表具再次需要上传数据时，无须进行搜索基站等耗电量大的操作，使得整个与智慧燃气管理平台的交互时间大大缩短，基本上可让燃气表的耗电能力达到一个较优的水平。

2）基于NB-IoT的智能燃气平台

NB-IoT平台能够提供智能设备自助开发工具、后台技术支持服务、物联网专网、短彩信、位置定位、设备管理、远程升级等基础服务。其平台 IOT 数据云能够提供高扩展的数据库、实时数据处理、智能预测离线数据分析、数据可视化展示等多维度的业务运营服务。开放、完善的 API 接口便于用户在 SaaS 层与 PaaS 层对接。实时监控管理接入设备的状态与运行情况，并对设备进行远程操作。

NB-IoT 智能燃气表通过 NB-IoT 网络传输，连接到 IOT平台，将形成庞大的数据资产，为燃气企业的智慧运营提供精准的依据，并分析用户画像，获取增值收益。庞大的数据给燃气企业带来种种价值，足以获得企业重视。

3.2 NB-IoT智慧燃气整体测试方案

（1）样机试制。2019年初，由天津华润燃气集团组织各大燃气表制造厂商进行样机研发和制作，NB-IoT物联网燃气表由膜式燃气表基表、智能控制模块、NB-IoT通信模块以及电机阀门组成。各燃气表厂家按照津燃华润制定的标准开发完成后与智慧燃气管理平台联合调试。

（2）样机测试。2019年年初与智慧燃气管理平台联合调试阶段，样机在津燃集团三楼靠窗位置，该位置信号良好，通信成功率几乎100%。为准确掌握NB-IoT站点对地下室及高层的深度覆盖情况，技术部成员组织部分表具厂家对特殊环境进行多次采点测试，测试内容包括RSPR、SNR、连接基站是否成功、4条数据交互成功率。部分测试结果见表1。

测试结果表明，现有NB-IoT网络覆盖情况在该楼宇的中层最好，低层次之，高层最差。

（3）应用实践。为全面掌握移动、联通、电信三大运营商的NB-IoT站点在天津居民区的覆盖情况及表具的真实运行情况，自安装日起技术人员借助NB-IoT 智能燃气平台对天津居民安装表具的运行情况进行了实时跟踪与调研。2019年7月至12月，半年来每月对表具通信指令成功率进行统计，部分测试结果见表2。

测试结果表明，自更换NB-IoT物联网表具以来，排除网络调整、升级等例外因素，表具及采集平台运行正常。另外，中国移动、联通、电信三大运营商的NB网络信号均比较稳定，当前燃气表的抄表成功率能稳定在 99%左右，通过比对燃气表的实际读数和系统抄收的数据，燃气表抄表准确率为 100%。在现有的NB-IoT基站覆盖范围内，表具连接基站和上报成功率均能满足需求。

3.3 NB-IoT智慧燃气批量应用方案

基于NB-IoT的智慧燃气终端可实现燃气数据自动采集和双向通信，解决了入户抄表与居民隐私的矛盾。据统计，天津市场2019年集中换表工程量为409385块，津燃华润投入工作人员346人;各表具厂家及施工单位投入工人459人，管理人员100人;监理公司投入35人。整体换表工程累计投入工人940人。根据近几个月的天津市场大批量应用数据，统计得到表具抄到率高达99%以上，极大地提高抄表工作效率和及时性、准确性，为城市安全保驾护航，比以往的传统燃气表应用降低了社会管理成本，提高了社会稳定性。而且通过智慧燃气系统获得的大数据，可以了解不同区域的燃气能源用量情况，并据此优化输配管网运行效率，实现高效用能、协同互补，将可推动社会可持续发展，为绿色、环保、智慧化生活起铺垫作用，也为智慧城市建设起到积极的推动作用。

4NB-IoT技術在智慧燃气中的意义及展望

随着中国天然气应用将持续增长和全球物联网技术迅猛发展， 智能燃气表以及各仪表行业迎来了 NB-IoT新的发展机遇。

（1）目前，我国传统机械燃气表表现已逐渐趋于淘汰，智能燃气表是现在的主流产品，其中物联网燃气表因具备节省人力、气价调整智能和信号传输稳定准确三大优势最具前景。

（2）有望受益 NB-loT 技术生态圈，打造低成本物联网智能气表产业。NB-IoT 定义了当前唯一具备大规模普及潜质和高商业价值的长距离低传输速率的通信技术，非常适合于传感、计量、监控等物联网应用，适用于智能抄表等多类物联网应用领域。

本系统率先在天津华润燃气集团进行示范应用，未来可推广到全国燃气行业及水电等相关行业。NB-IoT智慧燃气产业链集成了包含芯片、模组、表具、运营商、网络服务商等不同行业企业，整个产品的市场规模无可限量。

参考文献

[1] Wang Y P E，Lin X，Adhikary A，et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things （NB-IoT）[J]. IEEE Communications Magazine，2016，55（3）：117-123.

[2] 佚名.燃气公司远程数据采集与管理系统[D].点了：大连理工大学，2018.

[3] 佚名.基于窄带物联网智能燃气表系统设计与实现[J].传感器与微系统，2019，38（3）：113-116.

[4] 黄文超.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J].电子测试，2017（6）：58.

[5] 蔡慈贵.关于NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状分析及发展趋势探讨[J].信息通信，2017（3）：237-238.