基于NB-IoT物联网水表应用初探

本文选自《环球表计》2018年6月刊，原文作者：张卫红，深圳市源啓智能科技有限公司。

摘要：作者就智能水表行业基于NB-IoT通讯的智能化应用进行阐述，结合近两年国内实际应用情况， 重点针对基于NB-IoT物联网水表的在智能抄表行业应用过程中对一些问题的思考和观点进行阐述，同时也对NB-IoT物联网水表的产业化过程的技术和业务需求走向提出自己的想法，以供行业参考。
 

引言

上世纪九十年代末，国内智能水表行业借鉴电表、安防等行业经验，采用RS-485 国际标准总线通讯技术来解决自动抄水表功能。2007年左右国内智能水表企业开始在欧洲Mini-BUS 的总线电路进行修改后产生了国内的M-BUS 总线电路，但各企业的M-BUS 总线电平处理方式有细微差别。总线制通讯技术方案由于存在大量工程布线工作，所以主要用于新建楼盘和小区，必须在弱电建设时介入预留布线管道。对于旧小区改造等不方便布线的环境不适用。

2010年左右，随着智能抄表在水行业的广泛应用，部分城市除了新建楼盘采用智能水表，周期更换项目也开始采用智能水表。旧小区无法布线原有总线制通讯方案的弊端暴露出来。在这种背景下小无线通讯技术开始在智能水表上应用，从早期的 Zigbee 到 RF(FSK)、再到近两年的LoRa。

2013年左右，随着中移物联网成立并推出物联网卡业务，GPRS流量费用得到了大幅下降，原来只用在集中器类设备上的GPRS 技术开始向智能水表终端转移。

2015年随着华为在欧洲商用NB-IoT成功，华为与三大运营商签订了NB-IoT技术在中国商用的战略计划，NB-IoT将在未来的物联网层面上取代现有的GPRS 通信网络。2017年被行业冠以NB-IoT元年，鹰潭、深圳、福州国内三大NB-IoT水表项目相继上马，至此NB-IoT 水表被定义为正式商用。

智能水表从自组网进入到租用运营商网络服务的道路上，为表述方便，本文将“基于NB-IoT的物联网水表”统一用“物联网水表” 为表述。  

物联网水表经过近两年试点和推广，这段时间内行业主要关注点在于NB-IoT 技术在通讯环境和功耗方面对于水表抄表应用的可行性，在这方面众说纷纭，可谓仁者见仁智者见智。本文不对此进行讨论，而是从供水企业的角度就物联网水表应该在供水企业的管理中发挥什么作用这个问题进行阐述，并尝试着探讨解决的思路，本文水表主要针对于居民户表。

替代人工抄表

一说到智能水表大部分人第一反应就是不用人去现场抄表了，其实替代人工抄表也恰恰是智能水表推广最早的需求，而目前市场的智能水表绝大部分的应用仍然是替代人工抄表为主。

当供水企业面临大面积使用智能水表替代人工抄表这个命题时，是使用人工抄表成本更低还是使用智能水表抄表成本更低这个问题就会摆在管理者的面前。由于各地经济水平不一，人工抄表成本核算出来会有差异。我们以深圳水务为例，深圳水务曾经进行了大量的数据分析和核算，最后得出结论针对居民户表结算的抄表业务仅从成本的角度考虑，人工抄表成本远低于全面应用智能水表的成本；也正因为此深圳水务居民户表一直没有大范围推智能水表，仅仅在小范围内进行尝试。

所以各水表企业也发现在智能水表推广过程中更多的是要寻找替代人工抄表以外的增值点来说服供水企业的决策层，才有可能得到大面积的使用。

用水传感器

上面提到水表对于供水企业来说应该有更多的增值应用，我们罗列一些常见的需求：

• 阶梯水价的应用

• 区域产销差应用

• 区域漏损数据分析

• 夜间DMA漏损检测

   

下面我们对这些需求具体到水表产品的需求尝试做更深层次的分析：
 

阶梯水价的应用水表的具体需求

阶梯水价的应用其实还是抄表结算的应用，只是对结算的时间点有了明确的定义，即需要确保当前抄表结算时间点与上一次抄表时间结算点是一个固定的时间，按国家要求的来说一般是一个月。

所以针对这个应用需求，行业通常有两种方案：第一种是行业常用的方案，在每个月的结算日当天进行实时抄表把抄表的数据做为结算依据；第二种方案采用月结日数据冻结功能来记录表的读数做为结算依据，这里特别提一下，这个月结日数据冻结功能是指在水表端完成的，即数据是记录在水表内的，如果是集中器来实现这个功能应该属于第一种。

我们再进一步剖析两种方案的区别：

第一种月结日实时抄表： 

• 水表月结数据时间点只能精确到小时，因为抄表的过程是串行的一只只抄的，所以如果以一个集中器为单位，也许从开始第一只表抄表时间到完成最后一只表抄表的时间可能相差30分钟。

• 当抄表成功率没有达到100%时（补抄后），月结日未抄成功的，后续结算时会采取用参考距离月结日最近的一次抄表日期的数据来决定月结日的抄表数据。

第二种表端月结日数据冻结功能：

• 水表月结数据时间点可以精确分钟（由水表的内部时钟决定），因为是在水表端完成，如果定好了在某个时间点冻结数据，时间一到所有水表会同时冻结数据，表与表之间的时间差异取决于水表的内部时钟。

• 除非水表坏了，般不会出现月结数据冻结不成功的情况。

表1两种不同方案的对比

区域产销差应用、区域漏损数据分析、的具体需求

大部分供水企业区域产销差、区域漏损数据分析是基于区域管网建立总分表关系，通过在同一时间记录各水表的用水量对比出总分表之间的用量差异，当差异达到一定程度则认为存在漏损。当然专业的管网漏损分析除了水量数据外，还涉及水压、流速、环境噪音等传感数据，是一个综合的数据分析模型，本文仅对水表的数据进行阐述。

由于目前市面上抄表数据的精度单位为立方米，因此采用的机电转换方案大部分转换数据的精度为立方米，在实际以居民小区为单位的区域产销差统计数据无法反馈真实的数据，国内家庭用户平均每天的用水量不足0.5立方米，也就是说如果用户当前水表读数为2.5立方米，实际智能抄表抄读的数据为2立方米。

为了解决上述的问题，供水企业对抄表数据精度提出了要求，行业开始在光电直读产品有精确到0.1立方米、0.01立米方产品；而近几年深圳水务提出智能水表抄表数据精度应精确到1升，随着这个要求的提出，原来一直在海外应用的无磁传感技术在国内开始爆发，行业各大水表厂陆续都推出了基于无磁传感技术抄表数据精度到升的水表。

夜间DMA漏损检测     

夜间DMA漏损检测的原理：正常居民用户深夜处于睡眠状态，理论上居民的所有用水行为都停止了，在这个时间段连续密集的监控居民的用水状态，如果在监控时间段发现水表持续存在流量较稳定的小流量用水，即可认为水表后的管网存在渗漏。

这项业务分析可以在抄表平台的软件端完成，也可以在智能水表端完成，目前国内的主要做法是在抄表平台的软件端完成分析，智能水表只负责把数据提供给抄表平台；如果在智能水表端完成则技术难度和复杂度较高。

影响这项业务的关键因素在于智能水表的传感数据精度，深圳水务在这方面做了大量的工作和数据分析，从居民用户的管网渗漏的统计数据来看，智能水表的数据精度应达到以升为单位才能反应出来，因此深圳水务也提出了智能水表的传感数据精度应为升。

智能业务辅助

物联网水表应用各种先进的技术，随之而来的成本也在增加，笔者认为物联网水表应该向智能硬件的方向进化，通过提供更多的增值功能体现它的价值才能更广泛让供水企业和社会所接受，在这里我们一起探讨一下有哪些增值功能。

漏水报警

采用夜间DMA漏损检测的原理，进行夜间自动漏水检测，对漏水情况进行上报，上报的对象可以是IOT平台，也可以是指定的客户端。

异常用水报警

• 阶梯水价报警，根据月累积用水量和日平均用水量，在用户用水量接近下一计费周期时主动上报，上报的对象可以是IOT平台，也可以是指定的客户端。

• 日上限用水量报警、月上限用水量报警，在用户用水量达到用户定义值时，主动上报，上报的对象可以是IOT平台，也可以是指定的客户端。

特殊业务场景

出差模式场景

定义出差模式后，理论上家里没有人用水，水表会设定一个报警值，超过后主动上报，上报的对象可以是IOT平台，也可以是指定的客户端。业务场景为非法入侵、管漏、用水口未关紧漏水等，如果严重可以通知物业及时处理。

出租结算场景

定义日结算业务，每日为出租方提供结算数据。

小结

通过上述的分析，智能水表的方向是确定的，但是大规模使用还需要寻找到更多的增值服务来增加水务公司的收入，才有可能得到大面积的使用，并不是简单的替代人工抄表。