NB-IoT技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能水表領(lǐng)域的應(yīng)用

劉虎平

摘? 要：針對(duì)當(dāng)前供水行業(yè)運(yùn)營(yíng)存在的水表抄讀工作效率低、工作強(qiáng)度大和計(jì)量結(jié)果不準(zhǔn)確等實(shí)際問題，該文首先提出以NB-IoT技術(shù)為基礎(chǔ)的智能水表系統(tǒng)架構(gòu)，包括NB-IoT UE、NB-IoT BTS、NB-IoT Core、NB-IoT平臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)器，然后在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行深入分析，提出相較于傳統(tǒng)方式該系統(tǒng)所具有的主要優(yōu)勢(shì)，以此為該項(xiàng)技術(shù)在智能水表領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：NB-IoT技術(shù);智能水表;網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前的供水行業(yè)存在很多痛點(diǎn)，其中以水表的抄讀最為嚴(yán)重，極易引起糾紛。對(duì)此，隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，將其應(yīng)用在智能水表領(lǐng)域能解決很多實(shí)際問題，并減少企業(yè)人力物力的投入。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

以NB-IoT技術(shù)為基礎(chǔ)的智能水表，如果按端—管—云進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)，則從下至上可分為以下4個(gè)部分：第一部分為終端層;第二部分為網(wǎng)絡(luò)層，象核心網(wǎng)及無線接入網(wǎng)等;第三部分為IoT平臺(tái);最后一部分為水務(wù)應(yīng)用層。通過對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)等的引入和應(yīng)用，能將不同層面整合到一起，形成一個(gè)整體，來滿足后續(xù)發(fā)展的實(shí)際需求。

（1）NB-IoT UE：在系統(tǒng)終端中，集成有專門的標(biāo)準(zhǔn)模組，此時(shí)借助空中接口能和基站相連。在物聯(lián)網(wǎng)中，終端是一種基礎(chǔ)載體，采用各類監(jiān)測(cè)模塊，即傳感器，能使終端實(shí)現(xiàn)互通、控制與管理，從過去的啞巴式終端變成現(xiàn)在的智能化終端。

（2）NB-IoT BTS：用于完成空口接入的處理與小區(qū)管理，同時(shí)在核心網(wǎng)及S1-lite接口的支持下實(shí)現(xiàn)相互連接，把從終端中的得到數(shù)據(jù)傳輸至高層網(wǎng)元進(jìn)行后續(xù)處理。它能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng)，亦能和FDD-LTE組網(wǎng)融合。

（3）NB-IoT Core：其主要功能在于和終端非接入層實(shí)現(xiàn)交互，并完成UE業(yè)務(wù)簽約管理和UE認(rèn)證鑒權(quán)，將所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都傳輸至平臺(tái)中進(jìn)行后續(xù)分析和處理。核心網(wǎng)可以單獨(dú)組網(wǎng)，也可以與LTE共用核心網(wǎng)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署的過程中，為有效減少物理網(wǎng)元總數(shù)，可對(duì)不同核心網(wǎng)元予以統(tǒng)一部署，形成服務(wù)網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)。

（4）NB-IoT平臺(tái)：它匯集了從不同接入網(wǎng)中獲取的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同時(shí)能以不同類型為依據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器，準(zhǔn)備后續(xù)處理，實(shí)現(xiàn)連接、使能、數(shù)據(jù)管理和連接的感知、診斷及控制。另外，平臺(tái)利用相關(guān)協(xié)議和接口還能實(shí)現(xiàn)與各類終端相接入，此時(shí)對(duì)上層行業(yè)而言，無需對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行物理連接與數(shù)據(jù)的傳輸，即可對(duì)終端實(shí)施對(duì)象化管理。

（5）應(yīng)用服務(wù)器：這是數(shù)據(jù)的最終歸屬，也是物聯(lián)網(wǎng)中所有業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的控制核心（對(duì)上層控制而言），能以客戶具體需求為依據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)做分析與處理等操作?；贜B-IoT平臺(tái)，能對(duì)自身應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行聚焦，并獲取一系列從設(shè)備層中形成的數(shù)據(jù)，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的統(tǒng)一管理，包括流量計(jì)與水表等所有水務(wù)設(shè)備。

2 工作過程

對(duì)智能水表而言，它如同手機(jī)一樣必須配置SIM卡（也稱NB卡），用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息?？ㄉ特?fù)責(zé)NB卡的生產(chǎn)，卡商將NB卡出售給運(yùn)營(yíng)商，此時(shí)運(yùn)營(yíng)商可向卡商提供各類信息，由卡商負(fù)責(zé)寫入;運(yùn)營(yíng)商得到NB卡后，將其出售給水表廠商或水務(wù)公司，并將其裝于智能水表當(dāng)中;然后水務(wù)公司要求運(yùn)營(yíng)商將NB卡激活，給智能水表供電，完成認(rèn)證鑒權(quán)后，將其接入網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送。

為與數(shù)據(jù)的傳輸特性相適應(yīng)，在NB-IoT協(xié)議當(dāng)中分別引入了2種數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化措施，即CP措施與UP措施。其中，CP措施是指利用NAS來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，無須建立無線承載，對(duì)小數(shù)據(jù)進(jìn)行分組后，根據(jù)NAS信令將其傳輸至MME，再傳輸至平臺(tái)當(dāng)中。而UP措施則和LTE系統(tǒng)十分相似，在采用RRC懸掛及流程恢復(fù)后，如果存在數(shù)據(jù)報(bào)文需要傳輸，則自動(dòng)建立相應(yīng)的承載，并利用數(shù)據(jù)面來直接傳輸;而沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，用戶對(duì)應(yīng)的上下文短時(shí)間掛起，而當(dāng)需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，立即恢復(fù)。以上2個(gè)措施和LTE相比，都能減少相互之間的交互，進(jìn)而達(dá)到減少功耗的根本目標(biāo)。

通過以上分析可知，對(duì)NB卡進(jìn)行管理時(shí)，流程較為煩瑣，但在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，其管理人員一般要對(duì)大量設(shè)備進(jìn)行管理，這些設(shè)備處在不同的環(huán)境中，如果管理較為煩瑣，則會(huì)使成本大幅增加?；诖?，從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)角度講，有必要按照自動(dòng)化的規(guī)則來管理，即采用嵌入式NB這一方法，該方法得到了很多人的高度重視與采納。對(duì)于嵌入式NB卡，主要是指把普通的SIM卡改造為嵌入式芯片，采用嵌入的方式設(shè)置在終端設(shè)備，即智能水表當(dāng)中，以此達(dá)到遠(yuǎn)程寫卡和網(wǎng)絡(luò)化等功能要求。此時(shí)用戶只需要在營(yíng)業(yè)大廳進(jìn)行身份等級(jí)認(rèn)定，就能在網(wǎng)絡(luò)上完成NB卡激活、換號(hào)與專網(wǎng)。可見，它的應(yīng)用能有效提高用戶感知，并使運(yùn)營(yíng)商的管理變得更加簡(jiǎn)化，然而，這樣會(huì)削弱運(yùn)營(yíng)商作為主體具有的控制能力。

嵌入式NB卡并不是NB-IoT發(fā)展的最終點(diǎn)，下一個(gè)目標(biāo)有很大概率是軟NB。對(duì)軟NB而言，它無物理卡片，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在操作系統(tǒng)當(dāng)中，利用無線技術(shù)下載應(yīng)用軟件，可重復(fù)編程，并能實(shí)現(xiàn)重復(fù)編程。該SIM卡不需要物理硬件，成本很低，并且能縮小設(shè)備的總體積，為新功能及特性的增加預(yù)留足夠空間。然而，它有可能損害到運(yùn)營(yíng)商合法權(quán)益，現(xiàn)在還沒有很多運(yùn)營(yíng)商給予支持，在全球范圍內(nèi)的發(fā)展速度還很慢。

3 主要優(yōu)勢(shì)

NB-IoT主要在授權(quán)階段工作，這一階段的信號(hào)具有很強(qiáng)的覆蓋度與穿透力，并且在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)一規(guī)劃，可對(duì)干擾進(jìn)行控制，能有效保證在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠和穩(wěn)定的傳輸。

我國(guó)已經(jīng)有很多運(yùn)營(yíng)商開始致力于NB-IoT的研究與建設(shè)，采用現(xiàn)有窄帶物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源，在全國(guó)進(jìn)行推廣。這些運(yùn)營(yíng)商以物聯(lián)網(wǎng)及其專用網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)隔，杜絕網(wǎng)絡(luò)供給，為企業(yè)的訪問及流量控制提供幫助，并對(duì)內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)進(jìn)行隔離，為各級(jí)客戶網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。除此之外，還能為不同的客戶建立隔離公眾互聯(lián)網(wǎng)的專用網(wǎng)，以此滿足所有網(wǎng)絡(luò)需求。

NB-IoT平臺(tái)有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能接入很多不同的終端設(shè)備，以統(tǒng)一協(xié)議及接口為基礎(chǔ)，利用該平臺(tái)能對(duì)各種類型及品牌的智能水表進(jìn)行統(tǒng)一接入及管理，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)與互通。與此同時(shí)，呈開放狀態(tài)的API還能對(duì)各類水務(wù)應(yīng)用進(jìn)行快速集成，達(dá)到快速構(gòu)建及部署的目的。最終向企業(yè)提供一套既能控制，又能診斷和感知的智能化網(wǎng)絡(luò)，從而滿足客戶提出的對(duì)終端實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行自主查詢及管理的實(shí)際需求。

4 結(jié)語

綜上所述，以NB-IoT為基礎(chǔ)形成的智能水表，其信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定，更能抵抗干擾，具有更強(qiáng)的安全性能。同時(shí)在數(shù)據(jù)傳輸過程中，無須所有中間環(huán)節(jié)，能直接從儀表到達(dá)數(shù)據(jù)平臺(tái)，為直接控制的實(shí)現(xiàn)提供便利，還能降低部署方面的成本。

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