NB-IoT技术在智能水表领域中的应用研究

2022.09.04

谭志华

摘要：据了解传统水表有很多缺陷，例如不能实时监测、施工程序复杂、成本高以及通信不稳定等。NB-IoT窄带物联网技术的应用恰好弥补了这些缺陷，此技术的优点有很多，例如，覆盖面积广、可靠性高、非常安全、成本低和功耗低等。将此技术应用于智能水表领域，既能够减少抄表的成本，又可以智能化管理水表，它的应用价值非常大。该文主要概述了NB-IoT技术的特点、组网方式及其在智能水表领域的应用。

关键词：NB-IoT技术;智能水表;应用;研究

中图分类号：TN929? ? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

0 引言

目前，随着城市化的迅速发展，住宅的调试难度加大，维修工作量也增大，小型无线仪表的稳定性也不是很高。为了解决水表需要长期维护的问题，供水企业既要考虑功耗又要顾及实时性。随着宽带物联网越来越先进，我国抄表问题日益严重，抄表工作量也越来越大。当前智能水表的读数技术已经有了新进展，该水表采用多种新型智能抄表技术。然而，智能水表系统中的智能动态抄表相对较少，在仪器仪表中找不到解决方案，研究者对大量数据的管理提出了一些問题。例如，抄表模式卡不能有效监测用水量，智能抄表系统能够及时而准确地得到供应，但其线表结构复杂且成本高。在这个背景下，NB-IoT技术逐渐发展起来，越来越多地应用于智能水表领域。

1 NB-IoT网络技术的特点和组网方式

NB-IoT技术与现网融合，具有很多优点。目前，该技术广泛应用于智能电表、水表中，具有移动性小、数据流量小、对时延不敏感等优点。

1.1 NB-IoT网络技术的特点

1.1.1 广域覆盖

在发射机发送相同功率的前提下，网络的带宽减小，功率密度变大，同时信号也能够重复发送，获得时间分集增益，与现有的网络相比，在同样的频率下，信号覆盖能力会增强20 dB。由于信号增强，信号可以覆盖的面积也增大了，与传统的GSM网络相比，覆盖范围增大了10倍，并且能覆盖到现有网络无法覆盖的室内、地下停车场中，给万物互联提供了信号基础。

1.1.2 海量连接

NB-IoT技术其中的一个特点是对时延不敏感，数据流量较小，信令开销少，上行资源调度粒度小，资源利用率高，一个扇区可以支持10万个连接，能够为万物互联提供容量保证。

1.1.3 更低功耗

NB-IoT终端对时延不敏感，大部分时间均处于休眠状态，信令开销少，通过eDRX技术、PSM模式等省电节能手段，消耗的电能较低。因此，NB-IoT终端的待机时间会增长很多，可以长达10年之久，尤其对那些地理位置和工作环境无法提供外部电源的地方更具吸引力，大大节约了运营成本。

1.1.4 更低成本

如果终端单价过高，对于部署海量终端的企业来说是一笔高昂的费用，会极大地减少企业的部署热情。NB-IoT技术的优越性有宽带窄、速率低和网路对时延不敏感等，这些特性可以令NB-IoT终端简化，简单的构造、简化的模组电路和简化的软件依然能够满足物联网通信的需要，终端简化使得单连接模块成本进一步降低，一般要求单模块成本不超过5美元，更低的成本使海量部署成为可能。

1.2 NB-IoT技术的组网方式

NB-IoT网络使用的是授权频道，目前只有运营商才有授权频道，因此目前开展NB-IoT网络建设的也只有运营商。组网的部署方式有3种，分别是带内、保护带和独立载波。带内组网部署是在LTE频带内截取一段频带作为NB-IoT的使用频带进行组网，它的优点是极易扩展，发射的功率很高，缺点是会减少LTE的网络容量，对于目前部分已捉襟见肘的4G容量影响较大。保护带组网是利用LTE频带边缘的保护带作为NB-IoT的频带，这段频带较窄，扩容困难，还会干扰到LTE网络，因此现网一般不采用。独立组网是在GSM的频带中取一段频带作为NB-IoT的频带，扩容灵活，发射功率高，下行速率较高，覆盖范围广，由于目前GSM用户数在不断减少，频率资源也相对宽松一些，因此一般采用此方案进行部署。

2 NB—IoT智能水表系统架构和应用

2.1 NB—IoT智能水表系统架构

NB—IoT智能水表系统的组成主要有5个部分：水表（NB-IoT通信模组的）、通信基站、服务器、云平台和管理软件。住户家里可以安装一只智能水表，水表运行时可以自动搜索邻近的通信基站，再注册到云平台，云平台可以自动分析此设备上的数据、接收数据的能力等。水表的数据可以通过基站传输至云平台，同时接收到云平台的消息。客户端上的软件可以借助服务器从云平台获取用水量数据，随时监测到每个居民的用水量，客户端软件还能调价控制居民的用水量，向各个居民发送每个月的用水量和用水扣费的具体情况。

2.2 NB—IoT技术在智能水表领域的应用

智能水表采用了专门的微处理器、旋转扫描接口以及芯片。其中，智能水表使用的芯片非常专业，它具有很多的优点，例如，静态功耗低、可以测量的范围大、精度高、非常稳定以及机体一致性好。即使是非常小的电流，也能保证较高的精度，并且不受杂质和水锈等影响。它采用的叶轮额外附加了金属薄膜，当叶轮在液体中旋转时，传感器能够把动能转化为电信号，电信号可以传输出来，经过进一步的计算转化成我们需要的信息，例如，液体流速和流量等。另外，人工可以对机器进行自定义设置，机器内的定时状态机可以定时监测到信号。最后，处理器能够进一步处理采集到的数据，经过加密操作后按照通信协议保存到数据库中，再通过NB—IoT通信模传出。

智能水表一般使用锂亚硫酰氯电池供电，通常8.5 Ah容量的电池可以工作8～10年左右。智能水表的主控MCU在最低的功率下运行时功耗为5 μA左右，它是由LCD驱动、保护掉电装置和实时监控器等智能装置组成的，它的接口资源非常多，性价比也很高。

智能水表测量解决方案支持水表数据的自动采集，人工抄表具有较高的人工成本和数据误差。用户在水表中安装传感器可以更早地了解水管的泄漏情况。家用水表将自动和定期报告实时监测的数据，降低故障概率和运行成本。收集到的数据可用于控制废水流量，识别网络故障，完善安全机制等。该方案适用于高精度的实时生产环境，如需要更新和删除的数据监控等。实时业务对数据库的性能要求很高，审计抽取都会对系统造成影响，但它能够使用大量实时数据进行监测，如气象元数据监测、气象要素实时监测和列表数据监测等。

3 结语

随着科技的快速发展，人们的生活习惯和方式正在向着智能化、高水平的方向转变。现有的智能水表包括智能卡式抄表、电缆自动抄表、小型无线智能抄表，这些抄表都可以解决已知的问题。NB-IoT技术的出现使智能水表的发展取得了质的飞跃，并且此技术已成为水表行业关注的焦点。

参考文献

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[2]姚美菱，吴蓬勃，曲文敬，等.基于NB-IoT的智能水表的探讨[J].电信工程技术与标准化，2018，31（6）：32-35.

[3]李诺.NB-IoT技术在智能水表领域的应用研究[J].中国新通信，2018，20（5）：123-125.