NB-IoT物联网智能水表设计与实现

费战波^①   关保东^②   张永辉^③   宋东峰^④

摘要：随着科技与经济的发展，社会联系更加紧密，智慧城市的建设逐步提上日程。物联网技术作为其发展关键，NB-IoT应运而生。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）构建于蜂窝网络，具有覆盖广、容量大、功耗低、成本小等优点，为物联网智能水表等典型应用及智慧城市推广提供了保障。本文对NB-IoT技术进行简要介绍，并结合建设智慧城市过程中NB-IoT物联网智能水表的具体应用，详述了设计过程中远程实时监控、数据高上报成功率、准确率以及低功耗性能提升等技术重点难点，对推进NB-IoT发展及智慧城市建设具有积极意义。

关键词：智慧城市、NB-IoT、物联网智能水表

作者简介：

① 新天科技股份有限公司董事长

②-④新天科技股份有限公司研发部工程师

NB-IoT具有覆盖广、容量大、功耗低、成本小等优点。NB-IoT构建于蜂窝网络，网络覆盖范围广且深，覆盖能力可达164dB^[1][2]，可在地下建筑实现数据通讯，覆盖近乎无死角；NB-IoT将现有2G、3G、4G的数据上行容量提升100倍，每个扇区可容纳5万个设备同时使用，一个基站理论上可容纳近10万个网络设备的加入^[3]，为海量物联设备接入提供保障；NB-IoT具有PSM与eDRX两种节电模式，降低设备使用功耗，尤以锂电池供电且数据上报频次不高的应用场景适用，如水表、电表、气表等抄表业务类型，数据上报通常为数小时或数天一次的量级，终端寿命可达十年之久^[4]；其应用在低速率、低功耗、低带宽的前提下，终端应用的设计复杂程度也会相应降低，便于降低设计成本，同时NB-IoT基于蜂窝网络，只消耗约180KHz带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，降低了部署成本，可实现平滑升级^[5]。

NB-IoT定义了三种工作状态，分别为链接态（Connected Mode）、空闲态（Idle Mode）以及节电模式（Power Saving Mode），其跳转关系如图1所示，对应功耗如图2所示。终端模块注册入网后处于Connected态，可收发数据，当终端与网络完成业务交互、释放无线资源时，T3324（PSM激活定时器）和T3412 extended（扩展TAU周期定时器）同时开始计时，进入Idle态；Idle态（T3324未超时）下，终端按照常规不连续接受机制/扩展不连续接收机制（DRX/eDRX方式）监听寻呼消息，若接收到下行数据则会进入Connected态循环，若无数据交互超过一段时间（T3324超时）则进入PSM模式，关闭收发信机，不再接收网络任何消息，网络侧也无法主动找到终端，但网络侧仍然继续保存终端的注册状态；直到终端有上行数据发送需求或T3412extended超时，终端退出PSM模式，此时终端不需重新注册和建立PDN，只要重新建立无线连接即可发送上行数据或进行周期性TAU（Tracking Area Update）。

 

图1 NB-IoT工作状态跳转图

 

图2 NB-IoT功耗示意图

不同模式功耗不同，在不同业务场景下也需合理使用，使保证功能前提下节电效果最佳。PSM模式与eDRX/DRX模式作为两种关键节电技术，其差异主要在于通讯实时性。固定检测控制类对实时性要求低，偶有业务配置等数据下发，常采用PSM模式，如智能水表、智能灯杆、智能安防等；移动检测控制类对实时性要求高，需实时对终端进行检测和控制，常采用eDRX模式甚至DRX模式，如共享单车、智能穿戴、移动支付等等。

NB-IoT物联网智能水表作为典型应用，为提升终端电池使用寿命，采用PSM模式进行节电，通过运营商网络实现集中抄读、远程抄读、实时抄读、远程控制，数据客观、准确，控制执行高效，同时提供智能收费等管理和服务，极大方便了水务公司进行数据分析及用水管理。如图3所示为NB-IoT在智慧水务应用中方案示意图。多样数据采集后经终端上传至物联网云平台后，通过运营商网络，将数据上传至管理中心，与综合应用层进行数据分析处理，同时逆向下发指令至智能终端，执行远程抄读及控制，便捷高效。

 

图3 NB-IoT在智慧水务应用示意图

NB-IoT物联网智能水表由内置电机阀的基表和包含NB-IoT通讯模组的智能控制器构成，如图4所示为其系统架构，包含数据采集、数据存储、数据处理、数据传输及状态显示五部分。核心部件微功耗处理器外围配以LCD液晶显示器、外置存储（可内嵌于微功耗处理器）、NB模块及外围配置通讯卡和天线、多类型传感电路、触发电路等，实现表计功能。多类型传感电路实现各类型数据采集，如管网压力、瞬时流量、终端电压等且采样精度可配置，采用数据自纠错技术（下文介绍）将所采集数据进行存储，经微功耗处理器处理，根据需求将数据送至NB通讯模组进行传输，并于LCD液晶屏显示当前状态，实现人机友好交互。同理，平台通过NB通讯模块下发指令，微功耗处理器按顺序缓存获取，添加MID帧识别序列，结合外围电路处理，执行特定动作（开关阀）或数据采集，匹配相应MID序列码回传响应成功指令，保障上下行数据有序处理传输。整个智能水表终端通过NB-IoT网络与后台系统联动，实现智能计量、智能抄表、远程控制、空中存储、空中升级等功能。

 

图4 NB-IoT智能水表系统架构

NB-IoT作为新兴技术，在网络建设过程中陆续发现几大主要问题：网络干扰、重叠覆盖、整体覆盖好但局部覆盖空洞多、室内疑难场景深度覆盖难、并发容量存在瓶颈、支撑手段有待完善。面对这些问题，业务终端也面临不小挑战：网络状态不稳定情况下，如何保证高上报成功率与上报准确率；大量碎片化设备同时接入基站后数据上报冲突如何解决；对于特殊场景下使用（一经安装不便维修，如井下）的终端如何保证其性能稳定与后期维护等等。

在网络干扰严重、覆盖效果不理想的前提下，为提高数据上报成功率与准确率，NB-IoT物联网智能水表引入了错峰离散机制、重发重传机制、数据补报机制以及加密机制。

l 错峰离散机制。根据智能水表出厂序列码，将同区域内所有碎片化终端设备在固定时间范围内做线性离散处理，避免同一时间节点大量终端同时传输数据而导致的网络拥堵，即业务终端与网络协同优化，避免数据并发上传，提升数据上报成功率与准确率。

l 重发重传机制。根据智能水表数据上传时间点，终端与当前网络连接状态，及所设定的特定时间间隔，上传失败后重新发起数据上报，同时检测网络质量，监控网络参数，且当前网络无法连接时自动断开网络，PSM模式切换为掉电模式，降低功耗，提升终端电量使用寿命。

l 数据补报机制。由于智能水表上报频次低，且常为一天一次，故将一段时间内数据进行存储，若某日数据上传失败，则根据智能水表所存上报记录，待本次上传时间点且网络条件允许时，对极端情况下未上报的数据进行补报处理，保证平台所收数据无丢失。

l 数据加密机制。采用AES加密，保证终端数据的安全性与准确性，同时采用数据自动纠错机制，将数据进行多处存储，读取时进行判决，若存在相同数据（由于外界干扰所得错误数据相同的概率极低），则认为该数据有效，避免了存储受干扰导致数据错误问题，提升用户使用安全性。

 

图5 通讯性能保障机制

智能水表在满足数据计量的前提下，同时具备多种功能，如数据传输至云端用于大数据分析、终端异常状态实时上报、多重计费模式随意切换、远程控制以及通讯方式可选等功能，满足多样需求，通过远程配置即可实现功能调整，方便后期人工不便操作的特定场景下的维护。

l 智能水表数据多样性，包含累计使用总量、月总用量、日总用量、间隔使用量、特定时段内密集采集用量记录、管网压力数据等等，且可存储整月详细数据。配以多种类型传感器，如光电采样、磁阻采样、无磁采样、超声波采样等等，可实现不同精度不同需求数据采集上报，数据传输至云端平台进行数据分析与统一管理，如分析单个终端近一月内用水量走势图、固定区域内高用水量分布图等等。

l 智能水表终端告警多样性，采用二级电压告警，低电时电压数据上报，便于获取表端实时状态，无电时执行自动关阀，同时具备防拆报警、励磁告警、压力告警等功能，根据告警类型执行自动开关阀，避免资源流失，且设置多级别告警信息，借助NB-IoT实现智能水表状态实时监控。

l 智能水表终端计费模式多样性，如后付费（对水量进行计量）、预付费（单次购买后对金额进行扣除）以及阶梯计费（五阶六价，不同使用区间不同计费标准），且计费模式可设，支持空中充值，配以开放平台实现移动设备的互联，如手机APP缴费等，极大提升了使用便捷性。同时为了保证通讯的多样性与可靠性，采用CoAP协议与UDP协议可选模式，精确实现远程控制，如开关阀、抄表等操作，实现水务管理智能化。

l 多种节电模式。智能水表常用节电模式为PSM或无通讯掉电模式，本文所介绍智能水表为掉电模式与PSM模式可切换，即针对不同网络状态与网络需求，修改节电模式，且针对不同运营商进行优化入网流程，减少入网时间，降低功耗。

全封闭式设计，防水防静电。NB-IoT物联网智能水表采用灌胶塑封工艺，智能水表可在深水区正常工作，同时采用了板级防静电处理，结合全封闭设计，高度防静电。表端适用温区范围广，抗干扰抗腐蚀能力强，可应付各种恶劣工作环境。

阀门采用悬浮电动球阀，防锈防抱死。在实际适用过程中，球阀悬浮在水中工作，在阀门打开的状态下，阀门和球体之间留有一定的空隙，水在流动的时候，会产生一定幅度的震动，从而使得球体在阀体中产生摆动，阀门在水压和水流的作用下，冲刷震动，从而达到防锈目的，长期使用也不必担心锈死；而在阀门关闭时，一旦阀门关闭到位，球体在水压的作用下向一侧偏移，同样不会产生漏水，在保证阀门功能正常工作的情况下，延长阀门使用寿命。

针对不同运营商接入不同频段进行天线增益匹配，提升信号质量与信号强度，将发射功率达到最大值，避免网络因素导致搜网时间延长、数据传输效率低下导致的功耗提升问题，同时保障了数据传输成功率准确率；NB-IoT物联网智能水表终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一次性锂电池组理论寿命10年以上。

获取防爆合格证、华为技术认证，安全性能共同保证。华为认证采用多重全面测试用例，对终端入网、终端业务数据上报、时间同步、可靠性、可维护性、稳定性及射频接收灵敏度及功耗等各功能性能做全方位测试，均顺利通过测试。并在不同信号及路损情况下进行丢包率及使用寿命测试，测试结果均远小于丢包率标准，且不同路损测试电池使用寿命均高于终端寿命期望值。如图6、表1所示为测试结果。

 

图6 实际使用寿命与期望使用寿命对照图

表1丢包率测试结果

 

NB-IoT物联网智能水表针对不同工作情况下，数据安全性、准确性均有着良好表现，其主要技术参数如表2所示，

表2 NB-IoT智能水表技术参数对照表

 

NB-IoT物联网智能水表支持空中升级和近端红外升级，两种升级方式为终端后期升级维护提供了技术保障。空中升级即借助NB-IoT平台依次下发终端升级命令及终端升级包，近端红外升级则借助红外传输升级命令及升级包。当智能水表检测到升级命令和完整的升级包后依次进行升级、重启，从而实现固件更新。可升级对象包含终端NB通讯模组固件与表计终端固件，在NB-IoT物联网技术极大发展的趋势下，提升了终端适应能力，同时降低开发和管理成本。

以银川NB-IoT物联网智能水表项目为例，共计约两万台智能水表终端，定时凌晨1点上报，按表地址上报偏移时段为8小时。通过NB-IoT智能管理平台，进行一个月上报数据统计，数据上报成功率均为99%以上，最差单日上报成功率为99.23%，最优单日上报成功率为100%。数据上报准确率均为100%，上报数据无异常。远程预置控制命令共计862条，执行成功率100%。客户通过数据查询统计，可实现区域性用水量分布曲线（晚6点至10点为用水高峰），单用户指定日期内水量分析（该日每30分钟用水曲线），以及每户表计状态控制（强制开关阀、欠费关阀），远程实现用户信息收集及控制，通过终端高质量完成对应业务，便捷高效。

随着中国智能水表应用持续增长和全球物联网技术迅猛发展，智能水表以及各仪表行业迎来了NB-IoT新的发展机遇。目前，我国传统机械水表已逐渐趋于淘汰，智能水表逐渐成为主流产品，其中物联网智能水表因具备节省人力、计费功能可智能调整以及信号传输稳定等优势最具前景，受益于NB-loT技术生态圈，打造低成本物联网智能水表产业，构建智慧城市指日可待。新天科技顺势而为、因时而动，从技术创新突破到产品试点应用到项目复制推广，始终走在行业前端，向国人全面展示了通过借助物联网技术平台为智慧能源管理产业升级带来的最新生态创新结果，为智慧城市的构建保驾护航。

[1]丁聪.论NB-IoT技术及应用前景[J].中国新通信,2017,19(20):123.

[2]郭宝,刘毅,张阳.NB-IoT无线吞吐率及低功耗技术探讨[J].移动通信,2017,41(11):79-84.

[3]孙秀良,李连.基于NB-IoT在智能燃气表行业的应用[J].计算机产品与流通,2018(11):84+89.

[4]刘克清,周俊,李世光,任晓华.NB-IoT低功耗技术及功率参数配置研究[J].移动通信,2018,42(12):32-36.

[5]樊慧珍,王磊.NB-IoT在智慧城市建设中的应用[J].技术与市场,2018,25(12):46-47.