基于NB-IoT技术的物联网水表设计应用

胡瑞芬 郑艳东

（定西市计量测试检定所，甘肃定西 743000）

窄带物联网（NB-IoT）技术是近代工业4.0 倡导的新兴技术之一。由于其本身具有覆盖面广、功耗较小、成本低廉等优点，被广泛应用于水表、电表等抄表业务当中。通过采用NBIoT 物联网水表的PSM（power saving mode）模式，能够极大提升水表等仪器的使用寿命，同时通过运营网络云端实现水表各类数据的实时集中抄读和远程控制，有效提升了抄表业务的工作效率和准确率[1]，为下一步智慧水务和大数据管理提供了参考依据。

1 现场概况

XX 市XX 辖区内原有24 万常驻用户，共将近两万左右无线水表终端。单靠人工进行数据采集整理时，不但工作量巨大，耗费大量人工，数据的及时性、准确性也存在较大问题，无法实现数据客户端查询。针对上述问题，拟采用基于NB-IoT 技术的智能水表系统，提高水表数据报送工作的实时性和有效性。

2 设计方案

如图1 所示，系统管理主要包括数据采集层和综合应用层。水表的各项参数信息采集后，通过NB-IoT/GPRS 网络首先上传到云平台，由管理中心对平台数据进行访问调用，进而实现现场抄表、数据信息存储、系统报表管理和收费增值服务等综合应用[2]。同时管理中心也可针对数据结果形成指令，直接对水表进行开停控制和远程抄读，实现整个水表系统的整体联动。

图1 物联网水表系统架构图

3 核心设计

3.1 功能设计

如图2 所示，NB-IoT 智能水表系统包括微功耗处理器、通讯模块、传感电路、储存器和外接LCD 液晶显示器等部分组成，实现水表数据的采集、存储、处理、传输及终端显示。微功耗处理器是整个系统的核心，数据采集时，微功耗处理器与通讯模块、传感触发电路等部件连接，能够实现水表管网压力、流量、电流电压等多类型数据源，按照功能需求通过LCD显示器输出当前状态，实现人机交互功能[3]。下达指令时，操作人员通过通讯模块对微功耗处理器下达处理指令，由处理器转换为MID 识别序列，通过外围电路实现阀门的开断操作和数据回传，实现计量、抄表、控制和存储的智能化控制。

图2 NB-IoT 智能水表系统功能设计图

3.2 抗干扰设计

NB-IoT 物联网水表在实际使用中，经常受到信号拥堵数据迟缓、异常信号干扰、数据丢失严重、信息安全保密性差等状况，对抄读数据的准确性和及时性有很大影响。因此必须对其抗干扰性能进行针对性设计。针对信号拥堵导致数据并发上传问题，设计将同一范围内所有终端进行高峰期离散处理；针对异常信号干扰，通过管理中心对终端和网络进行实时监控，当网络连接不及时时自行断开；针对数据丢失严重，设计将每日数据报送记录进行缓存，数据丢失时及时进行补报处理；针对数据保密性差，设计采用数据AES 加密设计和自动纠错机制，提高用户信息安全性。

3.3 实时报警设计

为提升用户终端体验，NB-IoT 在数据报送、终端告警、实时计费、节电降耗等方面进行了优化设计，通过云平台共享实现标准数据的协同筛选，采用二级电压实时告警，实现水表防拆报警、励磁报警、压力报警等功能。在计费模式上采用COAP 协议和UDP 协议，实现开关阀、抄表的远程控制[4]。

3.4 其他功能设计

物联网水表采用全封闭设计，防护等级达到IP65，具有很好的防水、防静电和抗腐蚀能力。水表开闭阀门采用悬浮电动球阀，能够有效防止阀体生锈抱死。此外物联网水表新增了天线增益功能，能够有效提升信号强度，降低网络搜索、数据传输功耗。

4 现场检验

本项目于2019 年9 月在XX 区进行了为期1 个月的丢包率和准确率测试。丢包率测试如下：

（1）配置所有的物联网水表系统端口为同一vlan。

（2）在PC 端配置8 个IP 地址，将系统与8 个水表终端连接，测试畅通。

（3）在系统端pc1 上ping 水表终端pc2，分别记录路损、发包次数和收包次数。

丢包率测试结果如表1 所示。

表1 丢包率测试结果

由表1 可知，在正常工况条件下，物联网水表安全性和稳定性均表现良好，满足日常工作要求。在准确率测试方面，采用NB-IoT 物联网水表后，数据报送成功率和准确率均在99%以上，通过管理中心发送的远程预制控制指令共计844 条，均100%有效执行。客户可通过手机APP 查询表计状态和峰谷用水状况，实现了水务工作的智慧互联互通。

5 结束语

综上可知，采用窄带互联网技术的智能水表系统后，抄表工作基本实现了自动化需求，系统的准确性、抗干扰性和安全性均有了较大提升。下一步将对水表数据可视化进行研究，结合大数据分析明确不同区域、不同时段的用水峰谷数据，针对性进行各类资源的优化配置，为智能化水务工作奠定基础。