基于NB-IoT的無線水表起草人

本文選自《環(huán)球表計》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通訊的智能化應用進行闡述，結合近兩年國內(nèi)實際應用情況， 重點針對基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)水表的在智能抄表行業(yè)應用過程中對一些問題的思考和觀點進行闡述，同時也對NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)水表的產(chǎn)業(yè)化過程的技術和業(yè)務需求走向提出自己的想法，以供行業(yè)參考。

引言

上世紀九十年代末，國內(nèi)智能水表行業(yè)借鑒電表、安防等行業(yè)經(jīng)驗，采用RS-485 國際標準總線通訊技術來解決自動抄水表功能。2007年左右國內(nèi)智能水表企業(yè)開始在歐洲Mini-BUS 的總線電路進行修改后產(chǎn)生了國內(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微差別。總線制通訊技術方案由于存在大量工程布線工作，所以主要用于新建樓盤和小區(qū)，必須在弱電建設時介入預留布線管道。對于舊小區(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)的廣泛應用，部分城市除了新建樓盤采用智能水表，周期更換項目也開始采用智能水表。舊小區(qū)無法布線原有總線制通訊方案的弊端暴露出來。在這種背景下小無線通訊技術開始在智能水表上應用，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，GPRS流量費用得到了大幅下降，原來只用在集中器類設備上的GPRS 技術開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，華為與三大運營商簽訂了NB-IoT技術在中國商用的戰(zhàn)略計劃，NB-IoT將在未來的物聯(lián)網(wǎng)層面上取代現(xiàn)有的GPRS 通信網(wǎng)絡。2017年被行業(yè)冠以NB-IoT元年，鷹潭、深圳、福州國內(nèi)三大NB-IoT水表項目相繼上馬，至此NB-IoT 水表被定義為正式商用。

智能水表從自組網(wǎng)進入到租用運營商網(wǎng)絡服務的道路上，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)過近兩年試點和推廣，這段時間內(nèi)行業(yè)主要關注點在于NB-IoT 技術在通訊環(huán)境和功耗方面對于水表抄表應用的可行性，在這方面眾說紛紜，可謂仁者見仁智者見智。本文不對此進行討論，而是從供水企業(yè)的角度就物聯(lián)網(wǎng)水表應該在供水企業(yè)的管理中發(fā)揮什么作用這個問題進行闡述，并嘗試著探討解決的思路，本文水表主要針對于居民戶表。

替代人工抄表

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

當供水企業(yè)面臨大面積使用智能水表替代人工抄表這個命題時，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問題就會擺在管理者的面前。由于各地經(jīng)濟水平不一，人工抄表成本核算出來會有差異。我們以深圳水務為例，深圳水務曾經(jīng)進行了大量的數(shù)據(jù)分析和核算，最后得出結論針對居民戶表結算的抄表業(yè)務僅從成本的角度考慮，人工抄表成本遠低于全面應用智能水表的成本；也正因為此深圳水務居民戶表一直沒有大范圍推智能水表，僅僅在小范圍內(nèi)進行嘗試。

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

用水傳感器

上面提到水表對于供水企業(yè)來說應該有更多的增值應用，我們羅列一些常見的需求：

階梯水價的應用 區(qū)域產(chǎn)銷差應用 區(qū)域漏損數(shù)據(jù)分析 夜間DMA漏損檢測

下面我們對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：

階梯水價的應用水表的具體需求

階梯水價的應用其實還是抄表結算的應用，只是對結算的時間點有了明確的定義，即需要確保當前抄表結算時間點與上一次抄表時間結算點是一個固定的時間，按國家要求的來說一般是一個月。

所以針對這個應用需求，行業(yè)通常有兩種方案：第一種是行業(yè)常用的方案，在每個月的結算日當天進行實時抄表把抄表的數(shù)據(jù)做為結算依據(jù)；第二種方案采用月結日數(shù)據(jù)凍結功能來記錄表的讀數(shù)做為結算依據(jù)，這里特別提一下，這個月結日數(shù)據(jù)凍結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，如果是集中器來實現(xiàn)這個功能應該屬于第一種。

我們再進一步剖析兩種方案的區(qū)別：

第一種月結日實時抄表：

水表月結數(shù)據(jù)時間點只能精確到小時，因為抄表的過程是串行的一只只抄的，所以如果以一個集中器為單位，也許從開始第一只表抄表時間到完成最后一只表抄表的時間可能相差30分鐘。 當抄表成功率沒有達到100%時（補抄后），月結日未抄成功的，后續(xù)結算時會采取用參考距離月結日最近的一次抄表日期的數(shù)據(jù)來決定月結日的抄表數(shù)據(jù)。

第二種表端月結日數(shù)據(jù)凍結功能：

水表月結數(shù)據(jù)時間點可以精確分鐘（由水表的內(nèi)部時鐘決定），因為是在水表端完成，如果定好了在某個時間點凍結數(shù)據(jù)，時間一到所有水表會同時凍結數(shù)據(jù)，表與表之間的時間差異取決于水表的內(nèi)部時鐘。 除非水表壞了，般不會出現(xiàn)月結數(shù)據(jù)凍結不成功的情況。

方案	優(yōu)勢	劣勢
月結日實時抄表	表端技術難度小，實現(xiàn)成本低	時間只能精確到小時，月結抄表可以不成功
表端月結日數(shù)據(jù)凍結	時間只能精確到分鐘	表端技術難度高，實現(xiàn)成本高

表1兩種不同方案的對比

區(qū)域產(chǎn)銷差應用、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)建立總分表關系，通過在同一時間記錄各水表的用水量對比出總分表之間的用量差異，當差異達到一定程度則認為存在漏損。當然專業(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)，是一個綜合的數(shù)據(jù)分析模型，本文僅對水表的數(shù)據(jù)進行闡述。

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，在實際以居民小區(qū)為單位的區(qū)域產(chǎn)銷差統(tǒng)計數(shù)據(jù)無法反饋真實的數(shù)據(jù)，國內(nèi)家庭用戶平均每天的用水量不足0.5立方米，也就是說如果用戶當前水表讀數(shù)為2.5立方米，實際智能抄表抄讀的數(shù)據(jù)為2立方米。

為了解決上述的問題，供水企業(yè)對抄表數(shù)據(jù)精度提出了要求，行業(yè)開始在光電直讀產(chǎn)品有精確到0.1立方米、0.01立米方產(chǎn)品；而近幾年深圳水務提出智能水表抄表數(shù)據(jù)精度應精確到1升，隨著這個要求的提出，原來一直在海外應用的無磁傳感技術在國內(nèi)開始爆發(fā)，行業(yè)各大水表廠陸續(xù)都推出了基于無磁傳感技術抄表數(shù)據(jù)精度到升的水表。

夜間DMA漏損檢測

夜間DMA漏損檢測的原理：正常居民用戶深夜處于睡眠狀態(tài)，理論上居民的所有用水行為都停止了，在這個時間段連續(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，即可認為水表后的管網(wǎng)存在滲漏。

這項業(yè)務分析可以在抄表平臺的軟件端完成，也可以在智能水表端完成，目前國內(nèi)的主要做法是在抄表平臺的軟件端完成分析，智能水表只負責把數(shù)據(jù)提供給抄表平臺；如果在智能水表端完成則技術難度和復雜度較高。

影響這項業(yè)務的關鍵因素在于智能水表的傳感數(shù)據(jù)精度，深圳水務在這方面做了大量的工作和數(shù)據(jù)分析，從居民用戶的管網(wǎng)滲漏的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，智能水表的數(shù)據(jù)精度應達到以升為單位才能反應出來，因此深圳水務也提出了智能水表的傳感數(shù)據(jù)精度應為升。

智能業(yè)務輔助

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

漏水報警

采用夜間DMA漏損檢測的原理，進行夜間自動漏水檢測，對漏水情況進行上報，上報的對象可以是IOT平臺，也可以是指定的客戶端。

異常用水報警

階梯水價報警，根據(jù)月累積用水量和日平均用水量，在用戶用水量接近下一計費周期時主動上報，上報的對象可以是IOT平臺，也可以是指定的客戶端。 日上限用水量報警、月上限用水量報警，在用戶用水量達到用戶定義值時，主動上報，上報的對象可以是IOT平臺，也可以是指定的客戶端。

特殊業(yè)務場景

出差模式場景

定義出差模式后，理論上家里沒有人用水，水表會設定一個報警值，超過后主動上報，上報的對象可以是IOT平臺，也可以是指定的客戶端。業(yè)務場景為非法入侵、管漏、用水口未關緊漏水等，如果嚴重可以通知物業(yè)及時處理。

出租結算場景

定義日結算業(yè)務，每日為出租方提供結算數(shù)據(jù)。

小結

通過上述的分析，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來增加水務公司的收入，才有可能得到大面積的使用，并不是簡單的替代人工抄表。

8月17日，《環(huán)球表計》在長沙還有一場關于傳統(tǒng)水表和智能水表的巔峰對決辯論賽，歡迎參與贊助，只需小小投入，回饋最大價值的的回報!不管您支持傳統(tǒng)水表，還是站隊智能水表，我們來一起戰(zhàn)長沙！

8月17日，長沙，傳統(tǒng)水表 VS 智能水表，誰能更好地解決水司的痛點？

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創(chuàng)意無極限，儀表大發(fā)明。今天為大家介紹一項國家發(fā)明授權專利——一種基于NB-IoT閥控的干簧管式物聯(lián)網(wǎng)水表。該專利由北京華航能信科技有限公司申請，并于2018年5月11日獲得授權公告。

內(nèi)容說明

本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)水表領域，尤其涉及一種基于NB-IoT閥控的干簧管式物聯(lián)網(wǎng)水表。

發(fā)明背景

物聯(lián)網(wǎng)是以計算機科學為基礎，包括網(wǎng)絡、電子、射頻、感應、無線、人工智能、條碼、云計算、自動化、嵌入式等技術為一體的綜合性技術及應用，可以讓孤立的物品(冰箱、汽車、設備、家具、貨品等等)接入網(wǎng)絡世界，讓它們之間能相互交流、鮮活起來。

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩網(wǎng)絡的窄帶物聯(lián)網(wǎng))技術采用超窄帶、重復傳輸、精簡網(wǎng)絡協(xié)議等設計，以犧牲一定速率、時延、移動性性能，獲取面向LPWA(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術)物聯(lián)網(wǎng)的承載能力。NB-IoT作為一種新的窄帶蜂窩通信LPWA解決方案，將給物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)帶來巨大的變革與創(chuàng)新。該解決方案具有諸多優(yōu)勢，具體體現(xiàn)為：超強覆蓋--比GPRS覆蓋增強20dB，擁有更強的穿透力和更廣的覆蓋范圍；超低功率--10年電池壽命，采用DRX(Discontinuous Reception，非連續(xù)接收)以及PSM(Plower Save Mode，省電模式)等節(jié)能技術，使終端電池壽命更長，電池壽命可長達10年；超低成本--低價終端芯片，因為低速率、低功耗、低帶寬，使芯片做的很小，而帶來的低成本優(yōu)勢。同時NB-IoT模組的成本，還有供電、通訊運營成本都比其他無線裝置便宜；超大連接--支持大規(guī)模連接，100K終端/200KHz小區(qū)。NB-IoT技術的六大主要應用場景恰恰是現(xiàn)有移動通信很難支持的場景，包括位置跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、智能泊車、遠程抄表、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)這些場景。市場研究公司Machina預測，NB-IoT未來將覆蓋25%的物聯(lián)網(wǎng)連接。

水表的增量市場大多采用M-Bus總線通信，水表的存量市場是無線水表的機會。無線水表的施工簡單，因功耗、信號覆蓋和電池壽命的問題，迫切需要NB-IoT技術來解決現(xiàn)實的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于NB-IoT閥控的干簧管式物聯(lián)網(wǎng)水表，采用NB-IoT和WIFI無縫轉(zhuǎn)換技術解決現(xiàn)有水表因功耗、信號覆蓋和電池壽命造成的問題，是一種物聯(lián)網(wǎng)智能水表。

圖為本發(fā)明主視圖

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案：本發(fā)明提供一種基于NB-IoT閥控的干簧管式物聯(lián)網(wǎng)水表，包括通信控制單元、水量檢測單元、顯示單元和喚醒開關單元；通信控制單元包括中央處理單元以及與其連接的電源控制回路、閥門控制單元和通信組件；通信組件包括NB-IoT模組和WIFI單元，NB-IoT模組和WIFI單元分別通過通用異步串口通信總線與中央處理單元通信連接，通信控制單元優(yōu)先選用NB-IoT模組進行通信，在沒有NB-IoT覆蓋的情況下，自動轉(zhuǎn)用WIFI進行通信；水量檢測單元包括基表殼體組件和干簧管機芯單元，基表殼體組件為進水管與出水管的銜接管道；干簧管機芯單元與中央處理單元連接，中央處理單元接收干簧管機芯單元實時計量得到的脈沖值；顯示單元與中央處理單元連接，顯示單元動態(tài)顯示水表的工作狀態(tài)信息；喚醒開關單元與中央處理單元連接，通過喚醒開關單元手動喚醒或定時喚醒水表狀態(tài)。

干簧管機芯單元包括干簧管、永磁鐵和機械機芯，干簧管固定在水表計數(shù)轉(zhuǎn)盤邊側，永磁鐵固定在水表計數(shù)轉(zhuǎn)盤上，當計數(shù)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一周，永磁鐵經(jīng)過干簧管的位置，使得干簧管的簧片開閉一次，由此得到一個脈沖值，機械機芯固定在水表計數(shù)轉(zhuǎn)盤的下部。電源控制回路連接一個電源，該電源為鋰亞硫酰氯電池?；須んw組件由過濾網(wǎng)、管體、球閥和連接裝置組成，閥門控制單元連接一個閥控執(zhí)行器，閥控執(zhí)行器包括直流電機、齒輪減速裝置和兩個微動開關，直流電機連接齒輪減速裝置，齒輪減速裝置的輸出端與球閥連接，齒輪減速裝置內(nèi)設有與兩個微動開關配合的觸點，減速裝置配合兩個微動開關檢測球閥的閉合。

喚醒開關單元包括手動撥動開關和實時時鐘單元，手動撥動開關設置在干簧管式物聯(lián)網(wǎng)水表的上側面，實時時鐘單元用于預設某個時間喚醒水表，以及預設某個時間上報周期內(nèi)的用水量。閥門控制單元與中央處理單元通過4個通用輸入\輸出口連接，其中2個通用輸入\輸出口用于直流電機的正反轉(zhuǎn)控制，另外2個通用輸入\輸出口用于檢測球閥執(zhí)行器是否到位，通過處理器發(fā)出的信號實現(xiàn)閥門的關閉和開通；中央處理單元為STM32L063R8T6單片機。本發(fā)明基于NB-IoT閥控的干簧管式物聯(lián)網(wǎng)水表還包括水表塑料上殼體和水表塑料下殼體，水表塑料上殼體與水表塑料下殼體先進行卡扣連接，再通過螺釘將水表塑料上殼體和水表塑料下殼體連接成一個整體，接口處設置密封膠條，螺釘上方設有防拆蓋封帽。

從上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明具備閥門控制功能，可對用戶水表的用水情況進行控制，節(jié)約人力、物力和財力，提高生產(chǎn)效益。同時，采用運營商主導的廣域低功耗NB-IoT技術，具備廣覆蓋，容量大，可靠性高的優(yōu)勢，特別適合城市范圍內(nèi)的水務終端連接。能帶來以下明顯的經(jīng)濟價值：無需水務公司自己維護網(wǎng)絡，節(jié)約網(wǎng)絡維護費用；實行自動抄表，節(jié)約人工費用；優(yōu)化表務管理，提出科學的水表更換建議、及時排查水表故障；優(yōu)化供水管網(wǎng)探漏，減少偷水現(xiàn)象，直接提升營收利潤。真正實現(xiàn)智能抄表管理，給智能水表行業(yè)帶來實質(zhì)性的行業(yè)推進。