費戰(zhàn)波^①   關(guān)保東^②   張永輝^③   宋東峰^④

摘要：隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，社會聯(lián)系更加緊密，智慧城市的建設(shè)逐步提上日程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為其發(fā)展關(guān)鍵，NB-IoT應(yīng)運而生。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋廣、容量大、功耗低、成本小等優(yōu)點，為物聯(lián)網(wǎng)智能水表等典型應(yīng)用及智慧城市推廣提供了保障。本文對NB-IoT技術(shù)進行簡要介紹，并結(jié)合建設(shè)智慧城市過程中NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表的具體應(yīng)用，詳述了設(shè)計過程中遠程實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)高上報成功率、準確率以及低功耗性能提升等技術(shù)重點難點，對推進NB-IoT發(fā)展及智慧城市建設(shè)具有積極意義。

關(guān)鍵詞：智慧城市、NB-IoT、物聯(lián)網(wǎng)智能水表

作者簡介：

① 新天科技股份有限公司董事長

②-④新天科技股份有限公司研發(fā)部工程師

NB-IoT具有覆蓋廣、容量大、功耗低、成本小等優(yōu)點。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣且深，覆蓋能力可達164dB^[1][2]，可在地下建筑實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，覆蓋近乎無死角；NB-IoT將現(xiàn)有2G、3G、4G的數(shù)據(jù)上行容量提升100倍，每個扇區(qū)可容納5萬個設(shè)備同時使用，一個基站理論上可容納近10萬個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的加入^[3]，為海量物聯(lián)設(shè)備接入提供保障；NB-IoT具有PSM與eDRX兩種節(jié)電模式，降低設(shè)備使用功耗，尤以鋰電池供電且數(shù)據(jù)上報頻次不高的應(yīng)用場景適用，如水表、電表、氣表等抄表業(yè)務(wù)類型，數(shù)據(jù)上報通常為數(shù)小時或數(shù)天一次的量級，終端壽命可達十年之久^[4]；其應(yīng)用在低速率、低功耗、低帶寬的前提下，終端應(yīng)用的設(shè)計復(fù)雜程度也會相應(yīng)降低，便于降低設(shè)計成本，同時NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗約180KHz帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，降低了部署成本，可實現(xiàn)平滑升級^[5]。

NB-IoT定義了三種工作狀態(tài)，分別為鏈接態(tài)（Connected Mode）、空閑態(tài)（Idle Mode）以及節(jié)電模式（Power Saving Mode），其跳轉(zhuǎn)關(guān)系如圖1所示，對應(yīng)功耗如圖2所示。終端模塊注冊入網(wǎng)后處于Connected態(tài)，可收發(fā)數(shù)據(jù)，當終端與網(wǎng)絡(luò)完成業(yè)務(wù)交互、釋放無線資源時，T3324（PSM激活定時器）和T3412 extended（擴展TAU周期定時器）同時開始計時，進入Idle態(tài)；Idle態(tài)（T3324未超時）下，終端按照常規(guī)不連續(xù)接受機制/擴展不連續(xù)接收機制（DRX/eDRX方式）監(jiān)聽尋呼消息，若接收到下行數(shù)據(jù)則會進入Connected態(tài)循環(huán)，若無數(shù)據(jù)交互超過一段時間（T3324超時）則進入PSM模式，關(guān)閉收發(fā)信機，不再接收網(wǎng)絡(luò)任何消息，網(wǎng)絡(luò)側(cè)也無法主動找到終端，但網(wǎng)絡(luò)側(cè)仍然繼續(xù)保存終端的注冊狀態(tài)；直到終端有上行數(shù)據(jù)發(fā)送需求或T3412extended超時，終端退出PSM模式，此時終端不需重新注冊和建立PDN，只要重新建立無線連接即可發(fā)送上行數(shù)據(jù)或進行周期性TAU（Tracking Area Update）。

 

圖1 NB-IoT工作狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖

 

圖2 NB-IoT功耗示意圖

不同模式功耗不同，在不同業(yè)務(wù)場景下也需合理使用，使保證功能前提下節(jié)電效果最佳。PSM模式與eDRX/DRX模式作為兩種關(guān)鍵節(jié)電技術(shù)，其差異主要在于通訊實時性。固定檢測控制類對實時性要求低，偶有業(yè)務(wù)配置等數(shù)據(jù)下發(fā)，常采用PSM模式，如智能水表、智能燈桿、智能安防等；移動檢測控制類對實時性要求高，需實時對終端進行檢測和控制，常采用eDRX模式甚至DRX模式，如共享單車、智能穿戴、移動支付等等。

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表作為典型應(yīng)用，為提升終端電池使用壽命，采用PSM模式進行節(jié)電，通過運營商網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集中抄讀、遠程抄讀、實時抄讀、遠程控制，數(shù)據(jù)客觀、準確，控制執(zhí)行高效，同時提供智能收費等管理和服務(wù)，極大方便了水務(wù)公司進行數(shù)據(jù)分析及用水管理。如圖3所示為NB-IoT在智慧水務(wù)應(yīng)用中方案示意圖。多樣數(shù)據(jù)采集后經(jīng)終端上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺后，通過運營商網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)上傳至管理中心，與綜合應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)分析處理，同時逆向下發(fā)指令至智能終端，執(zhí)行遠程抄讀及控制，便捷高效。

 

圖3 NB-IoT在智慧水務(wù)應(yīng)用示意圖

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表由內(nèi)置電機閥的基表和包含NB-IoT通訊模組的智能控制器構(gòu)成，如圖4所示為其系統(tǒng)架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸及狀態(tài)顯示五部分。核心部件微功耗處理器外圍配以LCD液晶顯示器、外置存儲（可內(nèi)嵌于微功耗處理器）、NB模塊及外圍配置通訊卡和天線、多類型傳感電路、觸發(fā)電路等，實現(xiàn)表計功能。多類型傳感電路實現(xiàn)各類型數(shù)據(jù)采集，如管網(wǎng)壓力、瞬時流量、終端電壓等且采樣精度可配置，采用數(shù)據(jù)自糾錯技術(shù)（下文介紹）將所采集數(shù)據(jù)進行存儲，經(jīng)微功耗處理器處理，根據(jù)需求將數(shù)據(jù)送至NB通訊模組進行傳輸，并于LCD液晶屏顯示當前狀態(tài)，實現(xiàn)人機友好交互。同理，平臺通過NB通訊模塊下發(fā)指令，微功耗處理器按順序緩存獲取，添加MID幀識別序列，結(jié)合外圍電路處理，執(zhí)行特定動作（開關(guān)閥）或數(shù)據(jù)采集，匹配相應(yīng)MID序列碼回傳響應(yīng)成功指令，保障上下行數(shù)據(jù)有序處理傳輸。整個智能水表終端通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與后臺系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)智能計量、智能抄表、遠程控制、空中存儲、空中升級等功能。

 

圖4 NB-IoT智能水表系統(tǒng)架構(gòu)

NB-IoT作為新興技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)幾大主要問題：網(wǎng)絡(luò)干擾、重疊覆蓋、整體覆蓋好但局部覆蓋空洞多、室內(nèi)疑難場景深度覆蓋難、并發(fā)容量存在瓶頸、支撐手段有待完善。面對這些問題，業(yè)務(wù)終端也面臨不小挑戰(zhàn)：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定情況下，如何保證高上報成功率與上報準確率；大量碎片化設(shè)備同時接入基站后數(shù)據(jù)上報沖突如何解決；對于特殊場景下使用（一經(jīng)安裝不便維修，如井下）的終端如何保證其性能穩(wěn)定與后期維護等等。

在網(wǎng)絡(luò)干擾嚴重、覆蓋效果不理想的前提下，為提高數(shù)據(jù)上報成功率與準確率，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表引入了錯峰離散機制、重發(fā)重傳機制、數(shù)據(jù)補報機制以及加密機制。

l 錯峰離散機制。根據(jù)智能水表出廠序列碼，將同區(qū)域內(nèi)所有碎片化終端設(shè)備在固定時間范圍內(nèi)做線性離散處理，避免同一時間節(jié)點大量終端同時傳輸數(shù)據(jù)而導致的網(wǎng)絡(luò)擁堵，即業(yè)務(wù)終端與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化，避免數(shù)據(jù)并發(fā)上傳，提升數(shù)據(jù)上報成功率與準確率。

l 重發(fā)重傳機制。根據(jù)智能水表數(shù)據(jù)上傳時間點，終端與當前網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，及所設(shè)定的特定時間間隔，上傳失敗后重新發(fā)起數(shù)據(jù)上報，同時檢測網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，且當前網(wǎng)絡(luò)無法連接時自動斷開網(wǎng)絡(luò)，PSM模式切換為掉電模式，降低功耗，提升終端電量使用壽命。

l 數(shù)據(jù)補報機制。由于智能水表上報頻次低，且常為一天一次，故將一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)進行存儲，若某日數(shù)據(jù)上傳失敗，則根據(jù)智能水表所存上報記錄，待本次上傳時間點且網(wǎng)絡(luò)條件允許時，對極端情況下未上報的數(shù)據(jù)進行補報處理，保證平臺所收數(shù)據(jù)無丟失。

l 數(shù)據(jù)加密機制。采用AES加密，保證終端數(shù)據(jù)的安全性與準確性，同時采用數(shù)據(jù)自動糾錯機制，將數(shù)據(jù)進行多處存儲，讀取時進行判決，若存在相同數(shù)據(jù)（由于外界干擾所得錯誤數(shù)據(jù)相同的概率極低），則認為該數(shù)據(jù)有效，避免了存儲受干擾導致數(shù)據(jù)錯誤問題，提升用戶使用安全性。

 

圖5 通訊性能保障機制

智能水表在滿足數(shù)據(jù)計量的前提下，同時具備多種功能，如數(shù)據(jù)傳輸至云端用于大數(shù)據(jù)分析、終端異常狀態(tài)實時上報、多重計費模式隨意切換、遠程控制以及通訊方式可選等功能，滿足多樣需求，通過遠程配置即可實現(xiàn)功能調(diào)整，方便后期人工不便操作的特定場景下的維護。

l 智能水表數(shù)據(jù)多樣性，包含累計使用總量、月總用量、日總用量、間隔使用量、特定時段內(nèi)密集采集用量記錄、管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)等等，且可存儲整月詳細數(shù)據(jù)。配以多種類型傳感器，如光電采樣、磁阻采樣、無磁采樣、超聲波采樣等等，可實現(xiàn)不同精度不同需求數(shù)據(jù)采集上報，數(shù)據(jù)傳輸至云端平臺進行數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)一管理，如分析單個終端近一月內(nèi)用水量走勢圖、固定區(qū)域內(nèi)高用水量分布圖等等。

l 智能水表終端告警多樣性，采用二級電壓告警，低電時電壓數(shù)據(jù)上報，便于獲取表端實時狀態(tài)，無電時執(zhí)行自動關(guān)閥，同時具備防拆報警、勵磁告警、壓力告警等功能，根據(jù)告警類型執(zhí)行自動開關(guān)閥，避免資源流失，且設(shè)置多級別告警信息，借助NB-IoT實現(xiàn)智能水表狀態(tài)實時監(jiān)控。

l 智能水表終端計費模式多樣性，如后付費（對水量進行計量）、預(yù)付費（單次購買后對金額進行扣除）以及階梯計費（五階六價，不同使用區(qū)間不同計費標準），且計費模式可設(shè)，支持空中充值，配以開放平臺實現(xiàn)移動設(shè)備的互聯(lián)，如手機APP繳費等，極大提升了使用便捷性。同時為了保證通訊的多樣性與可靠性，采用CoAP協(xié)議與UDP協(xié)議可選模式，精確實現(xiàn)遠程控制，如開關(guān)閥、抄表等操作，實現(xiàn)水務(wù)管理智能化。

l 多種節(jié)電模式。智能水表常用節(jié)電模式為PSM或無通訊掉電模式，本文所介紹智能水表為掉電模式與PSM模式可切換，即針對不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)需求，修改節(jié)電模式，且針對不同運營商進行優(yōu)化入網(wǎng)流程，減少入網(wǎng)時間，降低功耗。

全封閉式設(shè)計，防水防靜電。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表采用灌膠塑封工藝，智能水表可在深水區(qū)正常工作，同時采用了板級防靜電處理，結(jié)合全封閉設(shè)計，高度防靜電。表端適用溫區(qū)范圍廣，抗干擾抗腐蝕能力強，可應(yīng)付各種惡劣工作環(huán)境。

閥門采用懸浮電動球閥，防銹防抱死。在實際適用過程中，球閥懸浮在水中工作，在閥門打開的狀態(tài)下，閥門和球體之間留有一定的空隙，水在流動的時候，會產(chǎn)生一定幅度的震動，從而使得球體在閥體中產(chǎn)生擺動，閥門在水壓和水流的作用下，沖刷震動，從而達到防銹目的，長期使用也不必擔心銹死；而在閥門關(guān)閉時，一旦閥門關(guān)閉到位，球體在水壓的作用下向一側(cè)偏移，同樣不會產(chǎn)生漏水，在保證閥門功能正常工作的情況下，延長閥門使用壽命。

針對不同運營商接入不同頻段進行天線增益匹配，提升信號質(zhì)量與信號強度，將發(fā)射功率達到最大值，避免網(wǎng)絡(luò)因素導致搜網(wǎng)時間延長、數(shù)據(jù)傳輸效率低下導致的功耗提升問題，同時保障了數(shù)據(jù)傳輸成功率準確率；NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表終端睡眠模式下具有超低功耗：最小值1.2uA、典型值5uA、峰值15uA，配以3.6V一次性鋰電池組理論壽命10年以上。

獲取防爆合格證、華為技術(shù)認證，安全性能共同保證。華為認證采用多重全面測試用例，對終端入網(wǎng)、終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報、時間同步、可靠性、可維護性、穩(wěn)定性及射頻接收靈敏度及功耗等各功能性能做全方位測試，均順利通過測試。并在不同信號及路損情況下進行丟包率及使用壽命測試，測試結(jié)果均遠小于丟包率標準，且不同路損測試電池使用壽命均高于終端壽命期望值。如圖6、表1所示為測試結(jié)果。

 

圖6 實際使用壽命與期望使用壽命對照圖

表1丟包率測試結(jié)果

 

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表針對不同工作情況下，數(shù)據(jù)安全性、準確性均有著良好表現(xiàn)，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，

表2 NB-IoT智能水表技術(shù)參數(shù)對照表

 

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表支持空中升級和近端紅外升級，兩種升級方式為終端后期升級維護提供了技術(shù)保障。空中升級即借助NB-IoT平臺依次下發(fā)終端升級命令及終端升級包，近端紅外升級則借助紅外傳輸升級命令及升級包。當智能水表檢測到升級命令和完整的升級包后依次進行升級、重啟，從而實現(xiàn)固件更新?？缮墝ο蟀K端NB通訊模組固件與表計終端固件，在NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極大發(fā)展的趨勢下，提升了終端適應(yīng)能力，同時降低開發(fā)和管理成本。

以銀川NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能水表項目為例，共計約兩萬臺智能水表終端，定時凌晨1點上報，按表地址上報偏移時段為8小時。通過NB-IoT智能管理平臺，進行一個月上報數(shù)據(jù)統(tǒng)計，數(shù)據(jù)上報成功率均為99%以上，最差單日上報成功率為99.23%，最優(yōu)單日上報成功率為100%。數(shù)據(jù)上報準確率均為100%，上報數(shù)據(jù)無異常。遠程預(yù)置控制命令共計862條，執(zhí)行成功率100%?？蛻敉ㄟ^數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計，可實現(xiàn)區(qū)域性用水量分布曲線（晚6點至10點為用水高峰），單用戶指定日期內(nèi)水量分析（該日每30分鐘用水曲線），以及每戶表計狀態(tài)控制（強制開關(guān)閥、欠費關(guān)閥），遠程實現(xiàn)用戶信息收集及控制，通過終端高質(zhì)量完成對應(yīng)業(yè)務(wù)，便捷高效。

隨著中國智能水表應(yīng)用持續(xù)增長和全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，智能水表以及各儀表行業(yè)迎來了NB-IoT新的發(fā)展機遇。目前，我國傳統(tǒng)機械水表已逐漸趨于淘汰，智能水表逐漸成為主流產(chǎn)品，其中物聯(lián)網(wǎng)智能水表因具備節(jié)省人力、計費功能可智能調(diào)整以及信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢最具前景，受益于NB-loT技術(shù)生態(tài)圈，打造低成本物聯(lián)網(wǎng)智能水表產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建智慧城市指日可待。新天科技順勢而為、因時而動，從技術(shù)創(chuàng)新突破到產(chǎn)品試點應(yīng)用到項目復(fù)制推廣，始終走在行業(yè)前端，向國人全面展示了通過借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺為智慧能源管理產(chǎn)業(yè)升級帶來的最新生態(tài)創(chuàng)新結(jié)果，為智慧城市的構(gòu)建保駕護航。

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