基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)水表應(yīng)用初探

本文選自《環(huán)球表計(jì)》2018年6月刊，原文作者：張衛(wèi)紅，深圳市源啓智能科技有限公司。

摘要：作者就智能水表行業(yè)基于NB-IoT通訊的智能化應(yīng)用進(jìn)行闡述，結(jié)合近兩年國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用情況， 重點(diǎn)針對(duì)基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)水表的在智能抄表行業(yè)應(yīng)用過(guò)程中對(duì)一些問(wèn)題的思考和觀點(diǎn)進(jìn)行闡述，同時(shí)也對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)水表的產(chǎn)業(yè)化過(guò)程的技術(shù)和業(yè)務(wù)需求走向提出自己的想法，以供行業(yè)參考。
 

引言

上世紀(jì)九十年代末，國(guó)內(nèi)智能水表行業(yè)借鑒電表、安防等行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，采用RS-485 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線通訊技術(shù)來(lái)解決自動(dòng)抄水表功能。2007年左右國(guó)內(nèi)智能水表企業(yè)開(kāi)始在歐洲Mini-BUS 的總線電路進(jìn)行修改后產(chǎn)生了國(guó)內(nèi)的M-BUS 總線電路，但各企業(yè)的M-BUS 總線電平處理方式有細(xì)微差別。總線制通訊技術(shù)方案由于存在大量工程布線工作，所以主要用于新建樓盤(pán)和小區(qū)，必須在弱電建設(shè)時(shí)介入預(yù)留布線管道。對(duì)于舊小區(qū)改造等不方便布線的環(huán)境不適用。

2010年左右，隨著智能抄表在水行業(yè)的廣泛應(yīng)用，部分城市除了新建樓盤(pán)采用智能水表，周期更換項(xiàng)目也開(kāi)始采用智能水表。舊小區(qū)無(wú)法布線原有總線制通訊方案的弊端暴露出來(lái)。在這種背景下小無(wú)線通訊技術(shù)開(kāi)始在智能水表上應(yīng)用，從早期的 Zigbee 到 RF(FSK)、再到近兩年的LoRa。

2013年左右，隨著中移物聯(lián)網(wǎng)成立并推出物聯(lián)網(wǎng)卡業(yè)務(wù)，GPRS流量費(fèi)用得到了大幅下降，原來(lái)只用在集中器類(lèi)設(shè)備上的GPRS 技術(shù)開(kāi)始向智能水表終端轉(zhuǎn)移。

2015年隨著華為在歐洲商用NB-IoT成功，華為與三大運(yùn)營(yíng)商簽訂了NB-IoT技術(shù)在中國(guó)商用的戰(zhàn)略計(jì)劃，NB-IoT將在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)層面上取代現(xiàn)有的GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)。2017年被行業(yè)冠以NB-IoT元年，鷹潭、深圳、福州國(guó)內(nèi)三大NB-IoT水表項(xiàng)目相繼上馬，至此NB-IoT 水表被定義為正式商用。

智能水表從自組網(wǎng)進(jìn)入到租用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的道路上，為表述方便，本文將“基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)水表”統(tǒng)一用“物聯(lián)網(wǎng)水表” 為表述。  

物聯(lián)網(wǎng)水表經(jīng)過(guò)近兩年試點(diǎn)和推廣，這段時(shí)間內(nèi)行業(yè)主要關(guān)注點(diǎn)在于NB-IoT 技術(shù)在通訊環(huán)境和功耗方面對(duì)于水表抄表應(yīng)用的可行性，在這方面眾說(shuō)紛紜，可謂仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智。本文不對(duì)此進(jìn)行討論，而是從供水企業(yè)的角度就物聯(lián)網(wǎng)水表應(yīng)該在供水企業(yè)的管理中發(fā)揮什么作用這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行闡述，并嘗試著探討解決的思路，本文水表主要針對(duì)于居民戶(hù)表。

替代人工抄表

一說(shuō)到智能水表大部分人第一反應(yīng)就是不用人去現(xiàn)場(chǎng)抄表了，其實(shí)替代人工抄表也恰恰是智能水表推廣最早的需求，而目前市場(chǎng)的智能水表絕大部分的應(yīng)用仍然是替代人工抄表為主。

當(dāng)供水企業(yè)面臨大面積使用智能水表替代人工抄表這個(gè)命題時(shí)，是使用人工抄表成本更低還是使用智能水表抄表成本更低這個(gè)問(wèn)題就會(huì)擺在管理者的面前。由于各地經(jīng)濟(jì)水平不一，人工抄表成本核算出來(lái)會(huì)有差異。我們以深圳水務(wù)為例，深圳水務(wù)曾經(jīng)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)分析和核算，最后得出結(jié)論針對(duì)居民戶(hù)表結(jié)算的抄表業(yè)務(wù)僅從成本的角度考慮，人工抄表成本遠(yuǎn)低于全面應(yīng)用智能水表的成本；也正因?yàn)榇松钲谒畡?wù)居民戶(hù)表一直沒(méi)有大范圍推智能水表，僅僅在小范圍內(nèi)進(jìn)行嘗試。

所以各水表企業(yè)也發(fā)現(xiàn)在智能水表推廣過(guò)程中更多的是要尋找替代人工抄表以外的增值點(diǎn)來(lái)說(shuō)服供水企業(yè)的決策層，才有可能得到大面積的使用。

用水傳感器

上面提到水表對(duì)于供水企業(yè)來(lái)說(shuō)應(yīng)該有更多的增值應(yīng)用，我們羅列一些常見(jiàn)的需求：

• 階梯水價(jià)的應(yīng)用

• 區(qū)域產(chǎn)銷(xiāo)差應(yīng)用

• 區(qū)域漏損數(shù)據(jù)分析

• 夜間DMA漏損檢測(cè)

   

下面我們對(duì)這些需求具體到水表產(chǎn)品的需求嘗試做更深層次的分析：
 

階梯水價(jià)的應(yīng)用水表的具體需求

階梯水價(jià)的應(yīng)用其實(shí)還是抄表結(jié)算的應(yīng)用，只是對(duì)結(jié)算的時(shí)間點(diǎn)有了明確的定義，即需要確保當(dāng)前抄表結(jié)算時(shí)間點(diǎn)與上一次抄表時(shí)間結(jié)算點(diǎn)是一個(gè)固定的時(shí)間，按國(guó)家要求的來(lái)說(shuō)一般是一個(gè)月。

所以針對(duì)這個(gè)應(yīng)用需求，行業(yè)通常有兩種方案：第一種是行業(yè)常用的方案，在每個(gè)月的結(jié)算日當(dāng)天進(jìn)行實(shí)時(shí)抄表把抄表的數(shù)據(jù)做為結(jié)算依據(jù)；第二種方案采用月結(jié)日數(shù)據(jù)凍結(jié)功能來(lái)記錄表的讀數(shù)做為結(jié)算依據(jù)，這里特別提一下，這個(gè)月結(jié)日數(shù)據(jù)凍結(jié)功能是指在水表端完成的，即數(shù)據(jù)是記錄在水表內(nèi)的，如果是集中器來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能應(yīng)該屬于第一種。

我們?cè)龠M(jìn)一步剖析兩種方案的區(qū)別：

第一種月結(jié)日實(shí)時(shí)抄表： 

• 水表月結(jié)數(shù)據(jù)時(shí)間點(diǎn)只能精確到小時(shí)，因?yàn)槌淼倪^(guò)程是串行的一只只抄的，所以如果以一個(gè)集中器為單位，也許從開(kāi)始第一只表抄表時(shí)間到完成最后一只表抄表的時(shí)間可能相差30分鐘。

• 當(dāng)抄表成功率沒(méi)有達(dá)到100%時(shí)（補(bǔ)抄后），月結(jié)日未抄成功的，后續(xù)結(jié)算時(shí)會(huì)采取用參考距離月結(jié)日最近的一次抄表日期的數(shù)據(jù)來(lái)決定月結(jié)日的抄表數(shù)據(jù)。

第二種表端月結(jié)日數(shù)據(jù)凍結(jié)功能：

• 水表月結(jié)數(shù)據(jù)時(shí)間點(diǎn)可以精確分鐘（由水表的內(nèi)部時(shí)鐘決定），因?yàn)槭窃谒矶送瓿桑绻ê昧嗽谀硞€(gè)時(shí)間點(diǎn)凍結(jié)數(shù)據(jù)，時(shí)間一到所有水表會(huì)同時(shí)凍結(jié)數(shù)據(jù)，表與表之間的時(shí)間差異取決于水表的內(nèi)部時(shí)鐘。

• 除非水表壞了，般不會(huì)出現(xiàn)月結(jié)數(shù)據(jù)凍結(jié)不成功的情況。

表1兩種不同方案的對(duì)比

區(qū)域產(chǎn)銷(xiāo)差應(yīng)用、區(qū)域漏損數(shù)據(jù)分析、的具體需求

大部分供水企業(yè)區(qū)域產(chǎn)銷(xiāo)差、區(qū)域漏損數(shù)據(jù)分析是基于區(qū)域管網(wǎng)建立總分表關(guān)系，通過(guò)在同一時(shí)間記錄各水表的用水量對(duì)比出總分表之間的用量差異，當(dāng)差異達(dá)到一定程度則認(rèn)為存在漏損。當(dāng)然專(zhuān)業(yè)的管網(wǎng)漏損分析除了水量數(shù)據(jù)外，還涉及水壓、流速、環(huán)境噪音等傳感數(shù)據(jù)，是一個(gè)綜合的數(shù)據(jù)分析模型，本文僅對(duì)水表的數(shù)據(jù)進(jìn)行闡述。

由于目前市面上抄表數(shù)據(jù)的精度單位為立方米，因此采用的機(jī)電轉(zhuǎn)換方案大部分轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的精度為立方米，在實(shí)際以居民小區(qū)為單位的區(qū)域產(chǎn)銷(xiāo)差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)法反饋真實(shí)的數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)家庭用戶(hù)平均每天的用水量不足0.5立方米，也就是說(shuō)如果用戶(hù)當(dāng)前水表讀數(shù)為2.5立方米，實(shí)際智能抄表抄讀的數(shù)據(jù)為2立方米。

為了解決上述的問(wèn)題，供水企業(yè)對(duì)抄表數(shù)據(jù)精度提出了要求，行業(yè)開(kāi)始在光電直讀產(chǎn)品有精確到0.1立方米、0.01立米方產(chǎn)品；而近幾年深圳水務(wù)提出智能水表抄表數(shù)據(jù)精度應(yīng)精確到1升，隨著這個(gè)要求的提出，原來(lái)一直在海外應(yīng)用的無(wú)磁傳感技術(shù)在國(guó)內(nèi)開(kāi)始爆發(fā)，行業(yè)各大水表廠陸續(xù)都推出了基于無(wú)磁傳感技術(shù)抄表數(shù)據(jù)精度到升的水表。

夜間DMA漏損檢測(cè)     

夜間DMA漏損檢測(cè)的原理：正常居民用戶(hù)深夜處于睡眠狀態(tài)，理論上居民的所有用水行為都停止了，在這個(gè)時(shí)間段連續(xù)密集的監(jiān)控居民的用水狀態(tài)，如果在監(jiān)控時(shí)間段發(fā)現(xiàn)水表持續(xù)存在流量較穩(wěn)定的小流量用水，即可認(rèn)為水表后的管網(wǎng)存在滲漏。

這項(xiàng)業(yè)務(wù)分析可以在抄表平臺(tái)的軟件端完成，也可以在智能水表端完成，目前國(guó)內(nèi)的主要做法是在抄表平臺(tái)的軟件端完成分析，智能水表只負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)提供給抄表平臺(tái)；如果在智能水表端完成則技術(shù)難度和復(fù)雜度較高。

影響這項(xiàng)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵因素在于智能水表的傳感數(shù)據(jù)精度，深圳水務(wù)在這方面做了大量的工作和數(shù)據(jù)分析，從居民用戶(hù)的管網(wǎng)滲漏的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，智能水表的數(shù)據(jù)精度應(yīng)達(dá)到以升為單位才能反應(yīng)出來(lái)，因此深圳水務(wù)也提出了智能水表的傳感數(shù)據(jù)精度應(yīng)為升。

智能業(yè)務(wù)輔助

物聯(lián)網(wǎng)水表應(yīng)用各種先進(jìn)的技術(shù)，隨之而來(lái)的成本也在增加，筆者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)水表應(yīng)該向智能硬件的方向進(jìn)化，通過(guò)提供更多的增值功能體現(xiàn)它的價(jià)值才能更廣泛讓供水企業(yè)和社會(huì)所接受，在這里我們一起探討一下有哪些增值功能。

漏水報(bào)警

采用夜間DMA漏損檢測(cè)的原理，進(jìn)行夜間自動(dòng)漏水檢測(cè)，對(duì)漏水情況進(jìn)行上報(bào)，上報(bào)的對(duì)象可以是IOT平臺(tái)，也可以是指定的客戶(hù)端。

異常用水報(bào)警

• 階梯水價(jià)報(bào)警，根據(jù)月累積用水量和日平均用水量，在用戶(hù)用水量接近下一計(jì)費(fèi)周期時(shí)主動(dòng)上報(bào)，上報(bào)的對(duì)象可以是IOT平臺(tái)，也可以是指定的客戶(hù)端。

• 日上限用水量報(bào)警、月上限用水量報(bào)警，在用戶(hù)用水量達(dá)到用戶(hù)定義值時(shí)，主動(dòng)上報(bào)，上報(bào)的對(duì)象可以是IOT平臺(tái)，也可以是指定的客戶(hù)端。

特殊業(yè)務(wù)場(chǎng)景

出差模式場(chǎng)景

定義出差模式后，理論上家里沒(méi)有人用水，水表會(huì)設(shè)定一個(gè)報(bào)警值，超過(guò)后主動(dòng)上報(bào)，上報(bào)的對(duì)象可以是IOT平臺(tái)，也可以是指定的客戶(hù)端。業(yè)務(wù)場(chǎng)景為非法入侵、管漏、用水口未關(guān)緊漏水等，如果嚴(yán)重可以通知物業(yè)及時(shí)處理。

出租結(jié)算場(chǎng)景

定義日結(jié)算業(yè)務(wù)，每日為出租方提供結(jié)算數(shù)據(jù)。

小結(jié)

通過(guò)上述的分析，智能水表的方向是確定的，但是大規(guī)模使用還需要尋找到更多的增值服務(wù)來(lái)增加水務(wù)公司的收入，才有可能得到大面積的使用，并不是簡(jiǎn)單的替代人工抄表。