初探NB-IoT技术在智能水表领域中的应用

周斌

三川智慧科技股份有限公司 江西 鹰潭 335200

引言

为解决抄表难、管理难等问题，供水公司逐渐推广应用智能水表，有效解决调试难度高、维护难度高的问题，实现对用水情况的实时监控。在智能水表中逐渐引进NB-IoT技术，有效降低了成本，提高了覆盖范围，具有更广阔的应用前景。

1 NB-loT关键技术

NB-IoT是建立在LTE技术基础上，根据NB-IoT应用需要进行改变。首先物理层采取200kHzRF带宽，数据信息均要使用调制调解器。主要在GSM、TLE、UMTS三种网络中部署，采取带内部署、独立部署以及保护带部署三种形式。上行采取SC-FDMA调制方式，发射功率为23dBm，在运营商网络下可以进行平滑升级，快速完成网络覆盖，具有较高的网络可靠性。应用网络运营商授权的频段，整个安装过程简单，方便进行维护。相比于GPRS，NB-IoT覆盖提高了20dB+，上行功率加强17dB。在2G/3G/LTE技术中，谱密度为200mW/180kHz[1]。可使用常规电池供电，使用PSM省点模式，闲置状态下收发信机关闭。采取eDRX扩展接收，信道侦听周期增加。终端在完成数据包的发送后，会自动保持休眠状态，在接到数据请求时，才会唤醒发送数据。由于使用复杂度低的基带，协议简化。使用2G/3G/4G芯片，能够完成大数率的传送，NB-IoT芯片支持低速率、窄带，对物联网采取半双工、单天线方式，对信令处理进行简化，有效降低成本。

2 在智能水表领域中NB-loT技术的应用

2.1 智能水表结构

智能水表采取应用层、终端层、物联网、网络层，网络层包括核心网和基站。在不同层级中依赖于大数据以及物联网进行连接。终端层是指用户水表端，位于物联网基层，借助于传感装置采集流量、水质以及水压，该功能利用物联网通信组件实现，连接物联网基站，有效提高终端控制性。网络层包括核心网络和物联网基站，能够将终端信息传递给核心网络，并进行终端信息的处理以及交互。转发给物联网平台进行信息处理。核心网络包括网络供应和独立组网形式，核心网络采取多网元结构，共同构成网管节点。物联网平台收集终端数据，通过对数据需求和类型的分析，发放给应用服务器，实现对数据的管理。应用服务器连接功能负责采集转发数据，并用于对设备的管理。管理功能能够收集并储存数据，进行数据分析以及调用。查询功能能够感知、控制并进行诊断。应用层作为最上层，负责实现用户需求，控制能力超强，根据需求利用IoT技术开发功能。

2.2 主要功能

为了让智能水表采集数据并进行智能控制，一般需要配置SIM卡用于储存识别数据。物联网系统购买SIM卡，设置对应的识别码、鉴权算法、秘钥等信息，生产SIM卡。水务部门要提出SIM卡购买、激活、鉴权以及上电等需求。水务部门负责智能水表实际应用，运营方负责运维业务。智能电网对物联网数据传输的要求高，通常情况下传输方案包括UP、CP两种。CP方案优势在于摒弃无线传输数据，数据传输借助于NAS信令处理，实现连接物联网。UP方案结构特点和LTE有相似之处，管理无线资源有恢复宣贯功能。在没有数据请求时，可以临时悬挂用户数据，产生数据可快速恢复功能。

2.3 功能实现

在传统水表基础上，添加一体化芯片，不容易受到水锈影响，保持探测精度。加装金属膜叶轮能够通过传感装置转变为传输电信号，运送至微处理器接口，计算得出流体流量。内部安装定时状态机对信号自动探测，微处理器处理信号，在加密处理后封装至报文中，最终通过NB-IoT模组向外发送。供电采取锂电硫酰氯电池，以8.5Ah容量持续运行10年[2]。NB-IoT模组使用BC95硬件，功耗率，接收灵敏度高，可以向云平台传送数据。云平台则使用运营商基于NB-IoT网络建立的物联网云平台，终端在该平台注册可以通过HTTP、MQTT以及CoAP协议实现及时传送数据。NB-IoT智能水表在水务管理中心均具备对应的服务器，负责对终端的管理，客户端采取B/S架构基础上的Web网页系统。最后需要对NB-IoT技术测试，达到良好抄收成功率后可进行应用。

2.4 优点

NB-IoT工作频段采取授权频段，在复杂接线环境中，信号穿透能力强，能够避免通信不通畅问题，频段覆盖的范围更广，有利于控制建设网络的成本。同时NB-IoT传输数据更加稳定，在统一规划下能够抵抗外部干扰，可靠性高。电信运营商对NBIoT高度重视，借助于当前网络条件，建立物联网系统具备基础条件。通过建设专用网元，能够和移动网络隔离，实现防御外部攻击的作用，能够对终端访问权限进行控制，隔离水务部门网间，保证物联网安全性。建立虚拟专用网络方便客户访问智能水表内网，获取有用信息。物联网平台适应性高，协议灵活，面对数量庞大的终端，能够在一个协议上进行入网终端的控制。由于采取开放式应用程序，建立水务上有突出优势。利用物联网，水务部门对智能水表终端具备感知、控制和诊断的能力，客户也可以自由查询水表终端状态，提高交互的便捷性。

3 结束语

综上所述，在智能水表中应用NB-IoT技术具有与突出优势，有利于降低功耗、提高安全性，保证用水计量的实时监管，提高了供水公司和客户的便捷性。未来还需要进一步融合云计算、大数据技术，提高水务管理效率，为客户提供更人性化服务。