NB-IoT水氣熱物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用研究

楊陽 曾璐

武警廣西總隊 廣西 南寧 530000

引言

在萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，窄帶物聯(lián)網(wǎng)是一個重要的分支，其構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)消耗的帶寬約為180KHC，能夠直接部署在GSM中，可以使部署成本降低，實現(xiàn)平滑升級。它屬于當(dāng)前電子通信領(lǐng)域中的一個新型技術(shù)，可以支持低耗設(shè)備連接廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)，所以也叫低耗廣域網(wǎng)。其聚焦于低功耗，在物聯(lián)網(wǎng)市場廣泛覆蓋，屬于全球均可廣泛應(yīng)用的技術(shù)，覆蓋范圍較廣、速度快、成本低、耗能低，架構(gòu)優(yōu)。其具有良好的應(yīng)用前景，相對于電信運營商來說，智慧醫(yī)療、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將產(chǎn)生連接，超過人與人之間的通訊需求，在智慧城市建設(shè)中應(yīng)用NB-IoT能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋面積廣，支持連接，且具有更低的功耗和模塊成本，預(yù)計企業(yè)單個連接模塊低于5美元[1]。為了滿足當(dāng)前新的時代背景的發(fā)展需求，有必要加強(qiáng)創(chuàng)新計量技術(shù)，使現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高，對檢定的手段進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。利用NB-IoT技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代化的通信技術(shù)，對于物聯(lián)網(wǎng)的水汽量傳感器進(jìn)行設(shè)計。實現(xiàn)計量的數(shù)據(jù)化和數(shù)據(jù)的生活化，以NBIoT水氣熱物聯(lián)網(wǎng)傳感器全面替代水表、氣表、熱表，實現(xiàn)和云平臺之間點對點的通信，并且對本地各種的中繼設(shè)備進(jìn)行拋棄，對通信協(xié)議進(jìn)行簡化，能夠有效地減少運營成本和安裝空間，促進(jìn)企業(yè)現(xiàn)代化水平的提高，同時增加企業(yè)的效益和管理水平。

國家電網(wǎng)中心推動了“四表集抄”。例如，住建部對遠(yuǎn)傳抄表的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，電力聯(lián)合會也推出了一些有關(guān)電水氣熱能源管理的新的標(biāo)準(zhǔn)，人們越來越關(guān)注的是通信技術(shù)以及通信協(xié)議、通信通道等內(nèi)容，對于電水氣熱等計量技術(shù)的提升卻比較忽視[2]。許多人將各種類型的通訊方式嫁接到傳統(tǒng)的計量商品上，然而在人們的視野中逐漸走進(jìn)了NB-IoT技術(shù)，這與其他技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。對于行業(yè)之前所做出的一切成果，似乎也沒有那么重要。在通信技術(shù)行業(yè)的競爭將重新成為計量技術(shù)創(chuàng)新。本文介紹了計量產(chǎn)品有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及檢定規(guī)程存在的問題和解決方案。

1 傳統(tǒng)的水表、氣表及標(biāo)準(zhǔn)存在的不足之處和問題

以往的電氣水表采用的都是機(jī)械原理，所以它能夠測量的范圍具有一定的限制性。例如水表，通常機(jī)械水表的測量范圍在50L/H到4000 L/H之間，誤差較小，但是存在的問題是從限定的流量范圍沒有能夠確定的誤差。若用戶經(jīng)常使用該范圍內(nèi)的水量，水表無法對實際用水量進(jìn)行準(zhǔn)確的反應(yīng)，如果用戶在50L/H到64L/H的流量范圍內(nèi)用水誤差也比較大。即便是在2%誤差范圍以內(nèi)用水，由于供應(yīng)公司要求水表單位按照1.5%的誤差來提供產(chǎn)品，這樣會使公平交易的原則受到破壞，以往的水表采用的制造外殼結(jié)構(gòu)多是鑄銅和鑄鐵，在這些金屬的冶煉過程中會消耗大量的電量，同時也污染了環(huán)境，違反了國家節(jié)能減排的政策。不適合長久發(fā)展。傳統(tǒng)的水表具有較大的安裝空間，且重量大、體積大，加上結(jié)構(gòu)性的因素造成其具有較差的抗冷凍能力，在寒冷地區(qū)使用會出現(xiàn)大面積凍裂的情況，受到低溫的影響，在皮膜式燃?xì)獗淼蜏貭顟B(tài)下，將降低皮膜的靈活性，對正常的計量產(chǎn)生影響。當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)只檢定了指定的幾個檢測點，其合理性還有待提升，由于使用者不會在指定范圍內(nèi)來進(jìn)行用水，用氣，而這幾個點都可以利用一些特殊的渠道來提升合格率，但用戶在實際生活中的用水和用氣量會感覺計量不準(zhǔn)。但技術(shù)監(jiān)督局測試又無法測出真實的結(jié)果。這樣的一種矛盾情況，主要是由于當(dāng)前的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定缺乏科學(xué)性和合理性，檢定規(guī)程不合理導(dǎo)致的，需要立即改革創(chuàng)新。技術(shù)工業(yè)公司要改變當(dāng)前的情況，對于造成的水電氣熱貿(mào)易不公平和不合理現(xiàn)象，要在體制上加以完善，促進(jìn)其改進(jìn)[3]。以往的水表和氣表的誤差比較大，且測量范圍較小，已經(jīng)無法滿足實際需求。但隨著當(dāng)前電子計量技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械氣表和機(jī)械水表也將逐漸退出歷史舞臺。

2 管道供水、管道燃?xì)庥嬃侩娮踊瘎菰诒匦?/h2>

圖1 折射式超聲波無限水表內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)前我國的科學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)發(fā)展較快，在電子技術(shù)應(yīng)用在電能計量和水量計量等領(lǐng)域中，可以充分實現(xiàn)電子技術(shù)的優(yōu)勢，并為行業(yè)帶來新的活力。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波技術(shù)的應(yīng)用下，水量、氣量測量技術(shù)的測量范圍得到了顯著的提升，同時測量誤差也進(jìn)一步降低，是未來的管道供水供到燃?xì)鈩┝康囊环N新的方式，具有良好的應(yīng)用前景。但當(dāng)前的超聲波氣表主要采用的是折射超聲波技術(shù)，為了降低損壞，都會使用折射聲波技術(shù)。但這會帶來一系列的問題，比如說信號衰減大，對于結(jié)構(gòu)尺寸有較高的要求，且容易造成信號衰減，主要是由于折射聲波技術(shù)采用的是折射聲路，也就是上下-左右-下上的結(jié)構(gòu)。由于無法有效提升折射式結(jié)構(gòu)造成的水氣劑量指標(biāo)，所以要進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)新。這就出現(xiàn)了旁路對側(cè)超聲波計量技術(shù)。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，旁路對側(cè)超聲波計量技術(shù)的超聲波水量氣量測量范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，且計量的誤差更小，對射信號有著更大的強(qiáng)度和冗余量，在使用很多年之后，依然具有較高的分辨率和抗干擾能量，不會出現(xiàn)以上的問題，如結(jié)構(gòu)信號衰弱。結(jié)構(gòu)等具有較高的精度，且安裝過程相對簡單。其技術(shù)特征是兩個換能器能夠相對放置，換能器的軸線與管道正常軸線相偏離。

圖2 旁路對射超聲波水、氣、熱計量結(jié)構(gòu)原理

在完成創(chuàng)新的同時，也要創(chuàng)新設(shè)計方案。盡快建成計量、控制、通訊等功能于一體的芯片集成。

結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新的方案，可以研制出氣量物聯(lián)網(wǎng)傳感器以及水量物聯(lián)傳感器。并將用戶的水表和氣表轉(zhuǎn)化成傳感器的方式。

3 水量傳感器和氣量傳感器的性能指標(biāo)和檢定方式

當(dāng)前，我國水氣表的國家相關(guān)鑒定流程和標(biāo)準(zhǔn)無法滿足現(xiàn)有的電子式水表和氣表的制造和檢定，所以提出了一些新的標(biāo)準(zhǔn)及檢定方式。

3.1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和檢定方法

當(dāng)前現(xiàn)有的Q3和Q12個指標(biāo)標(biāo)志水表產(chǎn)品性能，且Q2除以Q1等于1.6，Q4除以Q3等于1.25，也就是Q1到Q2的誤差在5%左右，而不包括Q2。Q2到Q3的誤差在2%，也就是兩級誤差。氣表指標(biāo)和水表指標(biāo)比較相似，只是采用的表示符號為Qmax和Qmin以及Qte，誤差為1到1.5g左右。當(dāng)前的檢定規(guī)程除了以上的幾個點以外，還有一些輔助點，一般為七個檢測點。

3.2 對產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行創(chuàng)新

測量下限Qmin，始動流量和測量下限具有相似性，水量測量為4L/H，燃?xì)鉃?L/H，測量上限QMaX最大通流量和測量上限相等，水量測量上限要低，大于5000 L/H，氣量測量上，現(xiàn)在4000L/H以上測量精度，水表水量全程一級精度，氣量為一級精度，防護(hù)等級IP68。安裝結(jié)構(gòu)有只管是水汽量，物聯(lián)網(wǎng)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)水表結(jié)構(gòu)以及130毫米標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)獗斫涌凇?/p>

3.3 產(chǎn)品的檢定方法

我們將采用隨機(jī)鑒定的方式來對產(chǎn)品的計量性能進(jìn)行檢定和驗證，這樣可以避免現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)故點測試造成的不科學(xué)情況。電子式的計量產(chǎn)品，若根據(jù)國家現(xiàn)行檢定方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行鑒定，那么很容易通過程序修正，對確定的檢測點進(jìn)行自動修正后使其合格。自動修正這樣產(chǎn)品很難不保證出現(xiàn)質(zhì)量部問題。

首先是下限流量精度和上限流量精度，這兩個點是必須要測量的，用戶可以按照訂貨給出某個值，如4000L/H。

其次是隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，對計算機(jī)流水程序進(jìn)行編制，對下限流量點進(jìn)行設(shè)定，同時要設(shè)定上限流量點，程序以L/H的步長進(jìn)行滾動，從下線流量到上限流量，之后再從上線流量到下線流量，從上到下，從下到上的進(jìn)行快速的滾動。

第三是隨機(jī)抽檢，要想顯示被選中的流量點，需要按下隨機(jī)數(shù)發(fā)生器程序的空格鍵，比如2653L/H作為選中流量點，之后進(jìn)行測試，結(jié)合檢定機(jī)構(gòu)對產(chǎn)品的檢測合格率，選取若干個測試點，對產(chǎn)品的質(zhì)量是否符合一級或二級精度要求進(jìn)行測量，防止人為作弊情況的發(fā)生。

第四是對防護(hù)能力進(jìn)行鑒定，把產(chǎn)品放在水槽中，水的深度約為1.5m，48h之后將產(chǎn)品拿出，在水中設(shè)備的各項指標(biāo)顯示正常，可以取出測試，說明設(shè)備滿足相關(guān)的指標(biāo)要求。

第五是防凍測試。防凍測試主要采用金屬或PVC的長管道進(jìn)行測試，長度約為兩米左右，將長管道分別連接水量傳感器的進(jìn)水端和出水端，并在管道中注滿水，將兩個開口進(jìn)行封閉，盤旋管道，將管道放在零下十?dāng)z氏度的冷柜中，24h后拿出，觀察水量傳感器是否有爆裂的情況，若水量傳感器無異常情況，且沒有爆裂，控制器顯示正常，再將水量傳感器放在五攝氏度的環(huán)境溫度中解凍后進(jìn)行測試，應(yīng)符合上述要求的相關(guān)指標(biāo)。

最后是電磁輻射測量，選擇場強(qiáng)移除了規(guī)定的無線信號以外，不應(yīng)收到其他的無線電輻射信號，且收到的無線電信號要滿足國家無線電管理委員會相關(guān)規(guī)定指標(biāo)，除了能夠接收到國家相關(guān)規(guī)定的無線信號以外，不能收到其他的無線電輻射信號為通過電磁輻射測試。

4 NB-IoT點對點通訊和建設(shè)第三方服務(wù)平臺

當(dāng)前，移動、聯(lián)通、電信統(tǒng)運營商相繼部署了NB-IoT基站。三大運營商平臺應(yīng)用NB-IoT的競爭已經(jīng)開展得如火如荼，這為后續(xù)的各種應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，到時將會深度覆蓋NB-IoT。NB-IoT的成本較低，功耗較低且連接海量，優(yōu)勢普遍，將受到充分的推廣?？缭酵ㄐ偶夹g(shù)也會帶來物聯(lián)網(wǎng)傳感器推廣的技術(shù)革命，推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國的發(fā)展。結(jié)合當(dāng)前我國通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，未來最主要的通信技術(shù)就包括NB-IoT技術(shù)，我們將實現(xiàn)GSM模式的點對點通訊，但是由于當(dāng)前3G退出網(wǎng)絡(luò)，而應(yīng)用NB-IoT技術(shù)將會為計量產(chǎn)品的創(chuàng)新迎來全新的選擇和機(jī)遇。因此，要想實現(xiàn)點對點的通訊，不需要涉足本地的終極，這可以大大降低運營成本和費用。當(dāng)然，和移動、電信、聯(lián)通緊密合作，對盈利模式進(jìn)行創(chuàng)新，也是在大家都可以使用NB-IoT下的重大研究熱點問題。對盈利模式進(jìn)行創(chuàng)新，而“四表應(yīng)用”是NB-IoT技術(shù)的最佳切入點。所有的行業(yè)都無法與本行業(yè)相提并論，主要是由于水電氣熱，公共事業(yè)屬于國計民生的公共行業(yè)，擁有龐大的用戶量，而應(yīng)用NB-IoT技術(shù)可以和水汽量物聯(lián)網(wǎng)傳感器互相綁定，實現(xiàn)點對點與云平臺通訊，能夠促進(jìn)日后第三方服務(wù)平臺的建立，并提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。要想全面覆蓋水氣熱行業(yè)，智能儀表還需要經(jīng)歷很長的一段時間，因此可以通過第三方服務(wù)平臺的建立，利用融資租賃的模式來破解這一問題，這也是一個可以考慮的方向。

將NB-IoT水氣量物聯(lián)網(wǎng)傳感器和大數(shù)據(jù)云平臺作為紐帶。面臨第三方服務(wù)改革和應(yīng)用NB-IoT的背景，建立物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺，為公共事業(yè)、水電熱氣貿(mào)易引入第三方，通過合作來建立公平交易體系改革服務(wù)。

5 結(jié)束語

綜上所述，水汽量物聯(lián)網(wǎng)傳感器創(chuàng)新技術(shù)和NB-IoT通信技術(shù)的完美結(jié)合，能夠使點對點的通訊問題完美破解，還能夠促進(jìn)產(chǎn)品測量范圍及測量精度的提升，利用靈活的管道安裝方式，可以避免空間的占用，對NB-IoT信號強(qiáng)度進(jìn)行提升和優(yōu)化，減少運營成本，促進(jìn)產(chǎn)品可靠性的提高。通過建設(shè)第三方服務(wù)平臺，能夠為我國的供水、供電、供氣現(xiàn)代化提供發(fā)展思路，為相關(guān)的行業(yè)和公司及廣大用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，促進(jìn)我國公共事業(yè)電水氣熱貿(mào)易化現(xiàn)代服務(wù)的發(fā)展。