NB-IoT物聯網智能水表設計與實現

費戰波^①   關保東^②   張永輝^③   宋東峰^④

摘要：隨著科技與經濟的發展，社會聯系更加緊密，智慧城市的建設逐步提上日程。物聯網技術作為其發展關鍵，NB-IoT應運而生。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）構建于蜂窩網絡，具有覆蓋廣、容量大、功耗低、成本小等優點，為物聯網智能水表等典型應用及智慧城市推廣提供了保障。本文對NB-IoT技術進行簡要介紹，并結合建設智慧城市過程中NB-IoT物聯網智能水表的具體應用，詳述了設計過程中遠程實時監控、數據高上報成功率、準確率以及低功耗性能提升等技術重點難點，對推進NB-IoT發展及智慧城市建設具有積極意義。

關鍵詞：智慧城市、NB-IoT、物聯網智能水表

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部工程師

NB-IoT具有覆蓋廣、容量大、功耗低、成本小等優點。NB-IoT構建于蜂窩網絡，網絡覆蓋范圍廣且深，覆蓋能力可達164dB^[1][2]，可在地下建筑實現數據通訊，覆蓋近乎無死角；NB-IoT將現有2G、3G、4G的數據上行容量提升100倍，每個扇區可容納5萬個設備同時使用，一個基站理論上可容納近10萬個網絡設備的加入^[3]，為海量物聯設備接入提供保障；NB-IoT具有PSM與eDRX兩種節電模式，降低設備使用功耗，尤以鋰電池供電且數據上報頻次不高的應用場景適用，如水表、電表、氣表等抄表業務類型，數據上報通常為數小時或數天一次的量級，終端壽命可達十年之久^[4]；其應用在低速率、低功耗、低帶寬的前提下，終端應用的設計復雜程度也會相應降低，便于降低設計成本，同時NB-IoT基于蜂窩網絡，只消耗約180KHz帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，降低了部署成本，可實現平滑升級^[5]。

NB-IoT定義了三種工作狀態，分別為鏈接態（Connected Mode）、空閑態（Idle Mode）以及節電模式（Power Saving Mode），其跳轉關系如圖1所示，對應功耗如圖2所示。終端模塊注冊入網后處于Connected態，可收發數據，當終端與網絡完成業務交互、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；Idle態（T3324未超時）下，終端按照常規不連續接受機制/擴展不連續接收機制（DRX/eDRX方式）監聽尋呼消息，若接收到下行數據則會進入Connected態循環，若無數據交互超過一段時間（T3324超時）則進入PSM模式，關閉收發信機，不再接收網絡任何消息，網絡側也無法主動找到終端，但網絡側仍然繼續保存終端的注冊狀態；直到終端有上行數據發送需求或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送上行數據或進行周期性TAU（Tracking Area Update）。

 

圖1 NB-IoT工作狀態跳轉圖

 

圖2 NB-IoT功耗示意圖

不同模式功耗不同，在不同業務場景下也需合理使用，使保證功能前提下節電效果最佳。PSM模式與eDRX/DRX模式作為兩種關鍵節電技術，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，偶有業務配置等數據下發，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物聯網智能水表作為典型應用，為提升終端電池使用壽命，采用PSM模式進行節電，通過運營商網絡實現集中抄讀、遠程抄讀、實時抄讀、遠程控制，數據客觀、準確，控制執行高效，同時提供智能收費等管理和服務，極大方便了水務公司進行數據分析及用水管理。如圖3所示為NB-IoT在智慧水務應用中方案示意圖。多樣數據采集后經終端上傳至物聯網云平臺后，通過運營商網絡，將數據上傳至管理中心，與綜合應用層進行數據分析處理，同時逆向下發指令至智能終端，執行遠程抄讀及控制，便捷高效。

 

圖3 NB-IoT在智慧水務應用示意圖

NB-IoT物聯網智能水表由內置電機閥的基表和包含NB-IoT通訊模組的智能控制器構成，如圖4所示為其系統架構，包含數據采集、數據存儲、數據處理、數據傳輸及狀態顯示五部分。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、觸發電路等，實現表計功能。多類型傳感電路實現各類型數據采集，如管網壓力、瞬時流量、終端電壓等且采樣精度可配置，采用數據自糾錯技術（下文介紹）將所采集數據進行存儲，經微功耗處理器處理，根據需求將數據送至NB通訊模組進行傳輸，并于LCD液晶屏顯示當前狀態，實現人機友好交互。同理，平臺通過NB通訊模塊下發指令，微功耗處理器按順序緩存獲取，添加MID幀識別序列，結合外圍電路處理，執行特定動作（開關閥）或數據采集，匹配相應MID序列碼回傳響應成功指令，保障上下行數據有序處理傳輸。整個智能水表終端通過NB-IoT網絡與后臺系統聯動，實現智能計量、智能抄表、遠程控制、空中存儲、空中升級等功能。

 

圖4 NB-IoT智能水表系統架構

NB-IoT作為新興技術，在網絡建設過程中陸續發現幾大主要問題：網絡干擾、重疊覆蓋、整體覆蓋好但局部覆蓋空洞多、室內疑難場景深度覆蓋難、并發容量存在瓶頸、支撐手段有待完善。面對這些問題，業務終端也面臨不小挑戰：網絡狀態不穩定情況下，如何保證高上報成功率與上報準確率；大量碎片化設備同時接入基站后數據上報沖突如何解決；對于特殊場景下使用（一經安裝不便維修，如井下）的終端如何保證其性能穩定與后期維護等等。

在網絡干擾嚴重、覆蓋效果不理想的前提下，為提高數據上報成功率與準確率，NB-IoT物聯網智能水表引入了錯峰離散機制、重發重傳機制、數據補報機制以及加密機制。

l 錯峰離散機制。根據智能水表出廠序列碼，將同區域內所有碎片化終端設備在固定時間范圍內做線性離散處理，避免同一時間節點大量終端同時傳輸數據而導致的網絡擁堵，即業務終端與網絡協同優化，避免數據并發上傳，提升數據上報成功率與準確率。

l 重發重傳機制。根據智能水表數據上傳時間點，終端與當前網絡連接狀態，及所設定的特定時間間隔，上傳失敗后重新發起數據上報，同時檢測網絡質量，監控網絡參數，且當前網絡無法連接時自動斷開網絡，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 數據補報機制。由于智能水表上報頻次低，且常為一天一次，故將一段時間內數據進行存儲，若某日數據上傳失敗，則根據智能水表所存上報記錄，待本次上傳時間點且網絡條件允許時，對極端情況下未上報的數據進行補報處理，保證平臺所收數據無丟失。

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

 

圖5 通訊性能保障機制

智能水表在滿足數據計量的前提下，同時具備多種功能，如數據傳輸至云端用于大數據分析、終端異常狀態實時上報、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功能調整，方便后期人工不便操作的特定場景下的維護。

l 智能水表數據多樣性，包含累計使用總量、月總用量、日總用量、間隔使用量、特定時段內密集采集用量記錄、管網壓力數據等等，且可存儲整月詳細數據。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，可實現不同精度不同需求數據采集上報，數據傳輸至云端平臺進行數據分析與統一管理，如分析單個終端近一月內用水量走勢圖、固定區域內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，低電時電壓數據上報，便于獲取表端實時狀態，無電時執行自動關閥，同時具備防拆報警、勵磁告警、壓力告警等功能，根據告警類型執行自動開關閥，避免資源流失，且設置多級別告警信息，借助NB-IoT實現智能水表狀態實時監控。

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，不同使用區間不同計費標準），且計費模式可設，支持空中充值，配以開放平臺實現移動設備的互聯，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協議與UDP協議可選模式，精確實現遠程控制，如開關閥、抄表等操作，實現水務管理智能化。

l 多種節電模式。智能水表常用節電模式為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，即針對不同網絡狀態與網絡需求，修改節電模式，且針對不同運營商進行優化入網流程，減少入網時間，降低功耗。

全封閉式設計，防水防靜電。NB-IoT物聯網智能水表采用灌膠塑封工藝，智能水表可在深水區正常工作，同時采用了板級防靜電處理，結合全封閉設計，高度防靜電。表端適用溫區范圍廣，抗干擾抗腐蝕能力強，可應付各種惡劣工作環境。

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，在閥門打開的狀態下，閥門和球體之間留有一定的空隙，水在流動的時候，會產生一定幅度的震動，從而使得球體在閥體中產生擺動，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；而在閥門關閉時，一旦閥門關閉到位，球體在水壓的作用下向一側偏移，同樣不會產生漏水，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，提升信號質量與信號強度，將發射功率達到最大值，避免網絡因素導致搜網時間延長、數據傳輸效率低下導致的功耗提升問題，同時保障了數據傳輸成功率準確率；NB-IoT物聯網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、終端業務數據上報、時間同步、可靠性、可維護性、穩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丟包率測試結果

 

NB-IoT物聯網智能水表針對不同工作情況下，數據安全性、準確性均有著良好表現，其主要技術參數如表2所示，

表2 NB-IoT智能水表技術參數對照表

 

NB-IoT物聯網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保障。空中升級即借助NB-IoT平臺依次下發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，從而實現固件更新。可升級對象包含終端NB通訊模組固件與表計終端固件，在NB-IoT物聯網技術極大發展的趨勢下，提升了終端適應能力，同時降低開發和管理成本。

以銀川NB-IoT物聯網智能水表項目為例，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，進行一個月上報數據統計，數據上報成功率均為99%以上，最差單日上報成功率為99.23%，最優單日上報成功率為100%。數據上報準確率均為100%，上報數據無異常。遠程預置控制命令共計862條，執行成功率100%。客戶通過數據查詢統計，可實現區域性用水量分布曲線（晚6點至10點為用水高峰），單用戶指定日期內水量分析（該日每30分鐘用水曲線），以及每戶表計狀態控制（強制開關閥、欠費關閥），遠程實現用戶信息收集及控制，通過終端高質量完成對應業務，便捷高效。

隨著中國智能水表應用持續增長和全球物聯網技術迅猛發展，智能水表以及各儀表行業迎來了NB-IoT新的發展機遇。目前，我國傳統機械水表已逐漸趨于淘汰，智能水表逐漸成為主流產品，其中物聯網智能水表因具備節省人力、計費功能可智能調整以及信號傳輸穩定等優勢最具前景，受益于NB-loT技術生態圈，打造低成本物聯網智能水表產業，構建智慧城市指日可待。新天科技順勢而為、因時而動，從技術創新突破到產品試點應用到項目復制推廣，始終走在行業前端，向國人全面展示了通過借助物聯網技術平臺為智慧能源管理產業升級帶來的最新生態創新結果，為智慧城市的構建保駕護航。

[1]丁聰.論NB-IoT技術及應用前景[J].中國新通信,2017,19(20):123.

[2]郭寶,劉毅,張陽.NB-IoT無線吞吐率及低功耗技術探討[J].移動通信,2017,41(11):79-84.

[3]孫秀良,李連.基于NB-IoT在智能燃氣表行業的應用[J].計算機產品與流通,2018(11):84+89.

[4]劉克清,周俊,李世光,任曉華.NB-IoT低功耗技術及功率參數配置研究[J].移動通信,2018,42(12):32-36.

[5]樊慧珍,王磊.NB-IoT在智慧城市建設中的應用[J].技術與市場,2018,25(12):46-47.