基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓電表集抄應(yīng)用

劉柱輝

（中國電信股份有限公司東莞分公司，廣東 東莞 510630）

1 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）在當(dāng)今信息世界中的應(yīng)用展現(xiàn)出了一日千里的景象，作為新一代信息技術(shù)的先進(jìn)代表，它是無線互聯(lián)網(wǎng)、傳感器和射頻識別等技術(shù)的深度融合。電表遠(yuǎn)程集抄是窄帶物聯(lián)網(wǎng)在電表行業(yè)的應(yīng)用，是利用NB-IoT信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)電表維保單位、物業(yè)管理單位、電力使用客戶、電表檢驗(yàn)部門和動力監(jiān)管部門的信息與數(shù)據(jù)交互。因此，電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)電表應(yīng)用的全面融合，必將深遠(yuǎn)影響著電表應(yīng)用的發(fā)展。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)俗稱萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，是隨著信息技術(shù)的不斷普及而產(chǎn)生的。繼計(jì)算機(jī)時(shí)代、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后，窄帶物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代逐步蔓延開來，成為第三次信息技術(shù)革命。簡而言之，窄帶物聯(lián)網(wǎng)仍然是基于互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用為核心，但是更為重視現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的拓展和延伸?；ヂ?lián)網(wǎng)用戶端不斷延伸，拓展到了不同物體與物體之間，并進(jìn)行了物品之間的信息交換。這種信息溝通方式被稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)模式。窄帶物聯(lián)網(wǎng)模式凸顯了互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的優(yōu)勢和地位，強(qiáng)調(diào)了互聯(lián)網(wǎng)存在的普遍性和跨空間性。窄帶物聯(lián)網(wǎng)模式具有鮮明的時(shí)代性和信息科技化，具備全面感知性和可靠的傳送性，并能夠在現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)智能化控制和處理，對于電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而言，意義極大。

2.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

窄帶物聯(lián)網(wǎng)誕生的必然性是寄托著電信行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)市場的憧憬。其前身可以追溯到中國華為與英國沃達(dá)豐在2014年共同提出的NB-M 2M。由這兩家公司首次提出的窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)概念一經(jīng)提出即得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，隨后越來越多通信行業(yè)的巨頭加入到這一方向的標(biāo)準(zhǔn)化研究中。第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)為了促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在2015年9月無線接入年會全會達(dá)成一致，確立NB-IoT為窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。2016年起，中國通訊運(yùn)營商積極響應(yīng)國家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，與華為、中興針對NB-IoT展開合作，成立物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合創(chuàng)新項(xiàng)目組。窄帶物聯(lián)網(wǎng)在2016年下半年涌現(xiàn)出更多的商業(yè)應(yīng)用，開啟了巨大的“藍(lán)?！笔袌觯⒃诟餍袠I(yè)出現(xiàn)爆炸式增長。

2.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)的目的就是為了讓物件擁有“感知”，實(shí)現(xiàn)人能獲取到萬物的重要信息而實(shí)現(xiàn)管理。為了發(fā)揮窄帶物聯(lián)網(wǎng)的作用，其體系架構(gòu)按照行業(yè)規(guī)范有三部分：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 NB-IoT體系架構(gòu)

感知層位于窄帶物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的最底層，作為獲取物件信息的基礎(chǔ)，采集物的狀態(tài)信息、地點(diǎn)信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)。設(shè)備組件包含各種傳感器、標(biāo)簽識別器、智能設(shè)備識別器、工業(yè)現(xiàn)場總線等，把物的狀態(tài)信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲芯W(wǎng)關(guān)。由傳感器技術(shù)、二維碼技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)（如RS485、CC-Link）等組成了感知層的關(guān)鍵技術(shù)，正如人類感知冷暖的皮膚，提升了物件的交互性。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，對比原來的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了跨越式變化。待機(jī)壽命長，超過十年；接入容量大，單個(gè)小區(qū)能支持10萬連接；覆蓋范圍廣，在同樣的頻段下，NB-IoT比原有無線網(wǎng)絡(luò)增益20dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍，為感知層所獲得的數(shù)據(jù)提供更可靠性、更安全性、更高效率的遠(yuǎn)距離傳輸通道。網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)為移動蜂窩定位技術(shù)、Internet互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、2G/3G/LTE無線接入技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，正如人類傳遞感知的神經(jīng)，這促進(jìn)了物件信息的可靠傳遞。

NB-IoT應(yīng)用層負(fù)責(zé)把感知層采集信息與網(wǎng)絡(luò)層傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析提取處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，達(dá)到智能化管理效果。因此，應(yīng)用層一般包括兩個(gè)子層：通用能力設(shè)備層和應(yīng)用程序?qū)?。通用能力設(shè)備層利用強(qiáng)大的后臺服務(wù)器和工作站，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理；應(yīng)用程序?qū)又饕峁┤藱C(jī)操作界面，人們通過終端設(shè)備監(jiān)視和控制各種窄帶物聯(lián)網(wǎng)的物，以及獲取經(jīng)后臺服務(wù)器提供的各種應(yīng)用。應(yīng)用層的核心關(guān)鍵技術(shù)包括中間件技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、人工智能技術(shù)等，正如人類發(fā)號施令的大腦，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息管控性。

3 電表物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3.1 電表物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

目前電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)主要用于遠(yuǎn)程電表集抄監(jiān)控。2016年中國電信運(yùn)營商在北京、上海、廣州、深圳、福州、長沙、銀川7個(gè)城市啟動了基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外場規(guī)模組網(wǎng)試驗(yàn)，并將于2018年開始全面推進(jìn)國家范圍內(nèi)的NB-IoT商用部署；中國電信已于2016下半年部署了基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)電表集抄業(yè)務(wù)，正大步推動著能源電表管理進(jìn)入了萬物互聯(lián)時(shí)代。

3.2 電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

基于行業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)，同樣采用感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層體系架構(gòu)的電表集抄物聯(lián)網(wǎng)，如圖2所示。

普遍采用微控制器來控制的電表，本身就是一個(gè)智能設(shè)備。因此，電表控制器是電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心組成部分。除了電表控制器外，還包括視頻傳感器、變壓器、采集器、紅外傳感器、RFID標(biāo)簽等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)檢測電表運(yùn)行狀態(tài)的功能。這些傳感器與網(wǎng)絡(luò)路由器連接，或與電表控制器連接后，再由電表控制器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集通信器。

圖2 電表集抄物聯(lián)網(wǎng)

電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層主流使用2G/3G的LTE無線接入技術(shù)。該技術(shù)依托電信運(yùn)營商800M物聯(lián)網(wǎng)傳輸，結(jié)合NB-IoT技術(shù)覆蓋廣、待機(jī)壽命長、接入容量大的特點(diǎn)，通過電信NB物聯(lián)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)物品信息的接入和數(shù)據(jù)的交互，采用的是NB網(wǎng)絡(luò)模組和運(yùn)營商N(yùn)B物聯(lián)網(wǎng)卡，不但縮短前期安裝周期及后期網(wǎng)絡(luò)維保成本，還解決在用電表快速改造、新裝電表便利接入的問題。

電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的功能：利用網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、Web服務(wù)技術(shù)、智能APP技術(shù)、人工智能技術(shù)，通過對電表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行動態(tài)數(shù)據(jù)的分析處理，向供電企業(yè)提供對地區(qū)設(shè)備、環(huán)境等信息進(jìn)行收集、維護(hù)和整理。為順利地進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)，以及后期維護(hù)工作，可通過建設(shè)信息化系統(tǒng)來協(xié)助管理及完成工作，以提高工作效率，完善數(shù)據(jù)管理，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及利用價(jià)值，提高信息利用率及企業(yè)產(chǎn)值。

4 電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

4.1 電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)感知層的總體設(shè)計(jì)

電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)感知層由各種檢測開關(guān)、傳感器、電表控制器和數(shù)據(jù)采集通信器等組成，如圖3所示。

電表控制器本身包括各種檢測發(fā)生器、傳感器，用于控制電表運(yùn)行。采集信息的元器組件，就如同是電表控制器的“五官”和“皮膚”，是實(shí)現(xiàn)定時(shí)檢測和采集控制的重要環(huán)節(jié)。利用這些檢測裝置，可以獲取電表的位置、用電讀數(shù)、電流波動、電路狀態(tài)、環(huán)境情況、用戶身份等信息。電表控制器把電表上的環(huán)境傳感器、電表開關(guān)檢測的信息采集和轉(zhuǎn)換信號后，經(jīng)過RS485串行通信，把數(shù)據(jù)傳給無線通信器，再由無線通信器經(jīng)過2G/3G無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳給后臺服務(wù)器。另一方面視頻傳感器是獨(dú)立于電表控制系統(tǒng)的，主要用于監(jiān)控大型電源變電站情況。由于視頻的數(shù)據(jù)量大，一般通過小區(qū)監(jiān)控DVR設(shè)備前端視頻存儲，再通過INTERNET路由器，把數(shù)據(jù)從INTERNET網(wǎng)絡(luò)傳到后臺服務(wù)器。

圖3 感知層器件

4.2 電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層總體設(shè)計(jì)

電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層是基于linux、unix、w indows平臺，采用開放式JAVA、C+語言開發(fā)的。其信息內(nèi)容包括管理單位、維保單位、檢驗(yàn)單位、監(jiān)督單位、電表廠家、用戶信息、工作地圖。在電表上實(shí)現(xiàn)用電取數(shù)、電表位置、維保跟蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)運(yùn)營、資源調(diào)度等方面的使用需求。根據(jù)用戶需求，NB-IoT應(yīng)用層設(shè)計(jì)包括移動客戶端模塊、云端平臺管理系統(tǒng)模塊兩部分。

4.3 電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在移動客戶端模塊的應(yīng)用

移動客戶端模塊是為了滿足使用電表窄帶物聯(lián)網(wǎng)的作業(yè)人員的需要，由于經(jīng)常在戶外面施工，手機(jī)和移動終端是不可或缺工具，因此在該方面作出應(yīng)用研究。

(1)用戶登錄。用戶直接在手機(jī)上登錄客戶端系統(tǒng)，每個(gè)用戶可分配對應(yīng)的用戶名及登錄密碼，密碼可自行管理。每個(gè)用戶可下載不同的工作任務(wù)，提交完成的任務(wù)數(shù)據(jù)。

(2)勘察定位。登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)可通過衛(wèi)星信號自動定位當(dāng)前位置，可手動在衛(wèi)星地圖上定好準(zhǔn)確位置后，再錄入各項(xiàng)勘察信息?？蛇M(jìn)行多個(gè)位置定位，并記錄定位信息。不同的設(shè)備定位，勘察錄入信息、界面均有不同，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

(3)移動跟隨。系統(tǒng)設(shè)有衛(wèi)星跟隨功能，只要開通APP并登錄，即可記錄當(dāng)前用戶的行動軌跡，同時(shí)可準(zhǔn)確定位實(shí)際位置。可對地圖上任意兩點(diǎn)進(jìn)行距離測算，方便勘察人員對臺區(qū)環(huán)境進(jìn)行合理判斷。定好的位置，勘察的數(shù)據(jù)，在未向云端正式提交信息之前，可點(diǎn)擊修改定位位置及相關(guān)信息。

(4)搜索功能。系統(tǒng)可讀取云端服務(wù)器上的任務(wù)信息，并可下載到手機(jī)本地，可進(jìn)行模糊搜索，快速找到信息?？辈斓母黜?xiàng)信息設(shè)有常用的默認(rèn)選項(xiàng)，方便戶外操作快速完成任務(wù)。搜索功能強(qiáng)大，輸入臺區(qū)號、冊號、戶號、資產(chǎn)號等信息均可進(jìn)行模糊查找，快速查找到匹配信息。

(5)信息提交多樣化?，F(xiàn)場查找、錄入信息方便快捷，同時(shí)開發(fā)有條形碼、二維碼掃描讀取信息功能。

(6)圖片上傳?？蓪F(xiàn)場勘察的環(huán)境進(jìn)行拍照上傳，可上傳多個(gè)圖片，方便后端人員及施工人員確認(rèn)現(xiàn)場環(huán)境。

(7)異常勘察。對找不到、拆遷、銷戶等異常數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊勘察信息提交，后臺可快速歸類。

(8)方案表信息。在現(xiàn)場勘察完一個(gè)臺區(qū)后可提交總方案表，系統(tǒng)自動統(tǒng)計(jì)合計(jì)信息如表箱數(shù)量、采集器數(shù)量等等。

(9)數(shù)據(jù)提交。在云端已經(jīng)審核的勘察數(shù)據(jù)，可隨時(shí)搜索下載，對保存的定位信息，可進(jìn)行位置導(dǎo)航，隨時(shí)可在地圖上找到設(shè)備位置。

(10)定位導(dǎo)航。對勘察定位的地址，可隨時(shí)調(diào)出地圖進(jìn)行導(dǎo)航，可方便勘察人員、施工人員快速找到定位地址。

(11)定制客戶端?？蔀槭┕と藛T、維護(hù)人員獨(dú)立定制開發(fā)移動APP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)接收施工任務(wù)、維護(hù)工單信息，在線遠(yuǎn)程提交竣工設(shè)備信息、處理維護(hù)信息?？蓪?dǎo)航到設(shè)備的位置，如有錯(cuò)誤可修改定位信息并提交。施工人員通過APP現(xiàn)場下載勘察數(shù)據(jù)，APP掃描采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配后，再同步到后臺系統(tǒng)，提高效率同時(shí)減少手工錄入出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

4.4 窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)在云端平臺管理系統(tǒng)模塊的應(yīng)用

(1)系統(tǒng)桌面。系統(tǒng)登錄后看到的第一個(gè)頁面，上面內(nèi)容可提取系統(tǒng)上重點(diǎn)的信息，如公告信息，最新的項(xiàng)目信息，待處理工作（任務(wù)）等等。

(2)任務(wù)管理?？蓪?dǎo)入現(xiàn)有格式的第三方資料信息，并減少手工錄入，根據(jù)導(dǎo)入的任務(wù)信息，根據(jù)計(jì)劃安排給對應(yīng)的用戶。

(3)數(shù)據(jù)成果管理。每項(xiàng)勘察數(shù)據(jù)自動匯總成報(bào)表，可進(jìn)行分類查找，設(shè)有多個(gè)條件的搜索，如時(shí)間、工作人員、臺區(qū)、資產(chǎn)編號等等。目前分有電表數(shù)據(jù)、變壓器數(shù)據(jù)等報(bào)表。數(shù)據(jù)上包含勘察時(shí)添加的關(guān)聯(lián)信息，如采集器關(guān)聯(lián)哪些電表，集中器關(guān)聯(lián)哪些采集器、哪些電表。

(4)衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)。根據(jù)臺區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)查找，可調(diào)出臺區(qū)內(nèi)各項(xiàng)定位信息，包含電表、變壓器、采集器、集中器等設(shè)備定位信息；可進(jìn)行距離測算，對定位信息可進(jìn)行修改；不同的圖標(biāo)，不同設(shè)備采用不同顏色的圖標(biāo)進(jìn)行標(biāo)示；設(shè)計(jì)人員可直接剪接地圖使用，減少設(shè)計(jì)時(shí)間。

(5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。平臺數(shù)據(jù)可進(jìn)行分類導(dǎo)出，導(dǎo)出格式按不同需求進(jìn)行了樣式設(shè)計(jì)；可篩選出多個(gè)臺區(qū)數(shù)據(jù)，一次性導(dǎo)出設(shè)計(jì)好的excel報(bào)表；可導(dǎo)出適合谷歌地球使用的txt文件、km l文件；極大提高信息利用率，方便設(shè)計(jì)人員快速整理臺區(qū)設(shè)備衛(wèi)星分布圖；通過安全考慮，可隨時(shí)追查數(shù)據(jù)導(dǎo)出記錄。

(6)施工、運(yùn)維管理。任務(wù)管理提前導(dǎo)入任務(wù)信息并安排到指定的施工班組，這個(gè)功能可給施工單位使用；可查看任務(wù)完成情況，資料提交信息審核管理；后臺維護(hù)工單管理，安排維護(hù)維修工單，跟蹤工單完成過程及結(jié)果情況。

5 結(jié)束語

本文所述電表集抄窄帶物聯(lián)網(wǎng)的用電取數(shù)、電表位置、維保跟蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)運(yùn)營、資源調(diào)度等功能應(yīng)用，已在我司大客戶推廣使用。經(jīng)過將近兩年的現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證，電表取數(shù)時(shí)間大幅度縮短，日常維保效率得到有效提升，電表故障發(fā)生率明顯降低?；谡瓗锫?lián)網(wǎng)在電表行業(yè)的應(yīng)用雖然仍存在一些短板，如市場推廣度不足、移動通信數(shù)據(jù)缺乏互聯(lián)互通、終端芯片標(biāo)準(zhǔn)不一等，但應(yīng)用前景廣闊，將是行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)與方向。