解析NB-IoT智能水表在智慧水务中应用

林俊

厦门市政水务集团有限公司，福建厦门，361000

0 引言

随着城市化进程的不断推进，各个产业逐渐实现自动化和智能化。智能水表是近年来发展迅猛的一种新型水表，是微电子、信息、传感等技术的结合体。根据“智慧水务”要求，从过去的“粗放”到“精细”的转变，供水企业必须利用现代技术，改变“水”的管理方式，提升供水服务质量[1]。NB-IOT智能水表的应用，不仅可以提高水厂的工作效率、节省人力，还可为输水系统的漏损提供相关的资料，实现更加科学、合理的经营。

智能化供水系统的信息化是通过云技术将海量的水数据接入，通过物联网精确控制与大数据分析，为管理者提供更准确的方向与依据。智能水务一体化系统将发挥其本身的优越性，对供水系统进行有效的改造，本文分析NB-IOT智能水表在智慧水务中的运用。

1 水表发展史

1.1 第一阶段：传统水表

（1）工作原理：利用自来水流量的压力，使水表内的齿轮旋转，水表上的表盘上的齿轮驱动指针旋转，计算出用水量。

（2）功能特性：一般水表的价格较低，计量精度能够满足计量要求。

（3）缺点：需要员工上门抄表，容易造成漏抄、错抄等问题。

1.2 第二阶段：IC卡水表

（1）工作原理：通过传感、微电子、智能IC等技术运用，实现用水量的测量、传输和结算交易。

（2）功能特征：用水量的记录和电子化显示按照约定用水量进行自动控制，实现阶梯水费计算的自动完成，实现数据的自动储存，可实现自动检测、异常提示以及预付费。

（3）缺点：①IC水卡因为没有联网，所以在实际应用中会有一定的私密性，会出现一些作假现象，有些人会因为使用伪卡而使计数器失效；物业公司如果无法对其进行有效的监督，将会给业主带来巨大的损失。②由于无法确定各表格的用水量，造成了统计、调度和平衡等问题。③IC卡水表依赖于电池，极易产生较大的干扰，若电量用完，无法辨识使用者的用电量。对电阀也无法正确控制，若使用者过度使用水源，亦无法有效监测。

1.3 第三阶段：智能水表

智能水表具有精确、可靠的传感器和信号处理功能，内置计算机和运算法则，具有各种接口和电子控制执行器，可以对流量参数进行监测，实现数据、通信和显示。其是一种新型的电子水表，具体分为2大类，即带有电子设备的机械仪表和电子仪表。其中，带有电子设备的机械式水表，分为预付式水表和远程式水表，利用常规水表来测量流量，并将传感器安装在水表读数盘上或者齿轮上，将原水表的机械读数转化成电信号。再进行具体的采集、传输和储存，并按照结算的交易模式进行自动化和手动控制[2-3]。因为基本仪表采用的是速度型，所以带有电子设备的机械式水表是一种速度型水表，其特点是对读数模式、显示机制进行改进，并加入了预付费和远程传感。但其测量装置和传输模式仍采用机械式，其精度等级达到2.0，与一般机械仪表相同。作为2.0时代的智能水表的主要产品，在流量传感部件没有机械活动部件的情况下，仪表流量传感器采用电磁、超声、射流等非机械部件的流量传感器，具有测量范围宽、精度高，工作稳定可靠、时间长，压力损失小等特点。

（1）工作流程：抄表人用遥控抄表方式发出抄表命令，由通信模块接收命令，并将资料传输至伺服端，由抄表人进行抄写。

（2）功能特性：自动遥控抄读、预付费、数据报表存储。同时，包含防破损、防倒装以及防滴漏功能。

（3）常用的有线远程通信和无线远程通信，传统的无线远程通信方式是采用光电直接读取远程通信方式，而采用NB-IoT、LoRa、GPRS等远程通信方式。

2 智能水表使用原则

2.1 计量性能

在设计方案时，将其原理与构造型式结合，以保证水表各个层次的性能，关键在于以下几个因素。①电动机械变换设备。这是影响智能水表计量性能的第一个因素，必须满足控制面板功耗的设计规范，选择硬件配置的磁-双十簧管采样方式，采用成分识别和延迟识别技术，对采样数据进行识别，消除抖动效应和磁场效应，从而进一步改善仪表的测量稳定性。②电子控制阀门。这是影响智能水表测量性能和系统可靠性的重要因素。电子控制阀的结构对仪表的测量性能造成很大伤害，通过水表计量单位的水，由于流路的变化，会在水表中产生二次流。在二次流足够强，并且与仪表测流元件的旋转方向相符的情况下，二次流提升测量元件的速度，减少测量数据的误差。③电池电源的特性。电池电源也会对智能水表的性能产生影响，电池的技术性能固然重要，但其核心是要有一个与整个仪器的整体性能相符的设计思想。在智能仪表的设计中，要充分考虑其负载、充电、放电等性能[4-5]。

2.2 DMA分区

DMA分区计量管理，是供水单位按照供水管网进行划分，建立覆盖“出厂计量-分级计量-用户计量”的管网流量计量传递体系，实现网格化管理，能够精准查漏检漏。分区、计量、漏检是DMA技术3大工作重点。在各分区的进水管、出水管安装阀门、流量计、超声波大表等对流量进行实时监测，对夜间流量最小化分析，从而及时发现、排查管网的损坏部位，降低漏损。

（1）减少漏损率，减少产销差异：智能水表定时、定点、实时接收数据，为区域计量、水平衡测试提供准确、可比较的数据支持。通过对某区域总分表进行交叉分析，经统计分析后，发现该处漏失率过高，可以及时进行泄漏检查，更换管线或阀门，或进行改进，提高整体工作效率，降低人力、物力消耗。

（2）帮助及时维护。智能水表管理系统可根据用户的异常情况及时进行抄表，及时发现管网或智能水表的异常情况，及时发出工作指令，安排检查或维修人员到现场解决问题，降低管道检查的工作量，并在同一时间内及时向有关用户报告问题，降低水资源的损耗。

2.3 用户服务及时性

通过物联网、大数据、云计算等技术，构建“智慧水务”系统，已成为供水企业的发展趋势，远程智能水表是其中的核心部分，可以通过数据的传递，对住户的用水量进行实时监测，及时发现问题。在智能远程小表改造中，对日结数据和瞬时数据进行分析，及时发现故障，提高维修质量。

3 NB-IoT智能水表在智慧水务中应用

3.1 智能水表结构

本系统利用NBIOT的蜂窝网络技术，实现了ZigBee子结点与主结点之间的数据传输，向协调器发送数据，由中间协调器对信息进行接收和处理，协调器利用NBIOT与公共网络服务器进行通信。用户可以通过关注用户号访问服务器、登录网页等方式查看用户的饮用水情况，从而实现对用户的多个饮水点的水量和水质进行实时监测，并为水量较少、水过期用户发送提醒信息[6-7]。

ZigBee的子结点均具有较低的功耗，使用干电池作为电源，ZigBee间通过多播进行通讯。既有广播的优势，又能降低协调程序的负荷。同时，将整个ZigBee网络分成2个阶段：初始化和结点加入。在此基础上，节点的入网方式主要是与协调器的接入，或者是通过现有的母节点。ZigBee无线组网功能是将传感器发送的信息以无线的形式发送给协调器。

利用串口接口将ZigBee协调器与STM32相连，完成对数据的处理。该单片机采用多个串行接口，通过单片机的串行接口将其与 NBIOT相连，从而降低硬件设计的复杂性，减少程序编制难度，确保可靠的信息传递。

ZigBee协调者仅负责接收到的数据的串口转发，不会处理数据。呼叫函数识别、处理、串口传送至STM32。STM32单片机的主要功能是进行MCU的初始化、外部设备的联接以及数据的处理。该方法首先对系统进行初始化，建立了各设备的通讯，并对ZigBee协调程序发出的数据进行处理，并将这些数据传送给NBIOT。NBIOT的主要功能是向服务器传输来自STM32的数据。这个过程就是对与STM32进行通讯的串行接口进行初始化，然后等待数据的接收，然后发送到服务器。

3.2 主要功能

NB-Iot智能水表系统是由水表、集水器、传输线构成的远程抄表系统，采用微机技术、数字通信技术和水表计量技术相结合，实现计量、数据采集、处理于一体，有利于城市用水的综合化处理，取代了传统手工抄表，实现抄表的智能化，进而优化工作效率。同时，NB-IOT智能水表自带采集、电阀、电源、阀控以及智能卡读卡[8]。该系统的主要作用是方便进行水费的交易，达到零欠费，可以有效地改善水厂的运行状况，但其缺点是没有办法对用户的用水进行实时监测。由于不能准确地计算出每个地区的用水量，同时也会影响到产销差率的统计。因此，IC卡水表的用户以物业公司为主，而远传智能水表的用户则是自来水企业、水务局等单位。

NB-Iot智能水表采用了时差法进行流量测量，即在测量管道（管道）的上下两端各装有一个超声传感器，以实现超声信号的双向传输和接收。由于超声波信号与水流信号的重叠，所以在顺、反向2种情况下，声波的传播速率是不一样的，所以不同传感器所发出的超声波信号在水中的运动时间也是不一样的。然后将其转换为流量，由此可对其进行计量。在流量管的顶端有两个传感器，A传感器将超声波信号（顺流）发送给乙传感器，而乙传感器将超声波信号（反向流动）发送到 A传感器，在发送期间，顺流和反向的超声信号在传送期间产生了一定的延迟，当校准后的管截面和标准的管长时，利用积分仪上的运算芯片来计算。

3.3 功能实现

NB-IoT智能水表具有预付费的特点，同时具有远程数据传送和监控的能力，可有效地解决热水、冷水、纯净水等远程抄表、收费、监控等问题。该技术具有低功耗、大连接、大覆盖等优势，可以用于2G，3G，4G网络等领域，并将其用于WAN通信技术。NB-IoT智能水表利用互联网技术，实现水信息的远程监控，为供水企业开创了一个全新的智能化水表时代[9]。

3.4 优势分析

NB-Iot智能水表是一种完全电子水表，利用超声波时差原理，利用工业电子元件制作。相对于机械式水表，其测量精度高、工作可靠、测量范围大、使用寿命长。不需要任何可移动的零件，不需要设定参数，可以随意地安装。NB-Iot智能水表在测试管线中没有任何运动和阻流部件，不会造成任何的磨损和压力损耗，具有很高的灵敏度，可以探测到流动速度的细微改变。同时，对被测介质的要求很低，量程比很大，而且NB-Iot智能水表结构简单，易于维护，特别适用于民用和工业领域的测量。此外，物联网智能水表以机械水表为基础，加入NB-IoT远程传输模块组成的智能化水表。产品的计量性能达到饮用水水表的国家标准。

通过比较，以前的远程电子水表，有些是通过长距离传输（布线困难），有些则是通过小型远程通信（需要安装集线器），也有CDMA、GPRS等技术，但都有一定的缺陷，所以从整体上来说，物联网智能水表是一种很好的远传水表。物联网智能水表采用全无线技术，无需一条缆线，即可实时监测日常用水量，并随时了解蓄电池的电压状况。内建锂电池，运行时间长达6年，覆盖范围广，信号好，不需要再安装集中器，准确度95%以上。

4 结语

随着时代的发展，智能水表将更加准确、电子化、物联网化，NB-IOT智能水表在未来的供水调度、管网渗漏检测和定位中将起到重要的作用。供水企业应本着经济合理、适用的原则，结合生产实际，合理选用各类智能水表，以达到科学、合理的管理需求。同时，水表行业要紧跟时代步伐，紧跟时代发展，注重水表产品和技术的变革，注重应用物联网技术。为适应社会需要，研制出更加简便、易于使用的智能水表。