解析NB-IoT智能水表在智慧水務(wù)中應(yīng)用

林俊

廈門市政水務(wù)集團有限公司，福建廈門，361000

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，各個產(chǎn)業(yè)逐漸實現(xiàn)自動化和智能化。智能水表是近年來發(fā)展迅猛的一種新型水表，是微電子、信息、傳感等技術(shù)的結(jié)合體。根據(jù)“智慧水務(wù)”要求，從過去的“粗放”到“精細”的轉(zhuǎn)變，供水企業(yè)必須利用現(xiàn)代技術(shù)，改變“水”的管理方式，提升供水服務(wù)質(zhì)量[1]。NB-IOT智能水表的應(yīng)用，不僅可以提高水廠的工作效率、節(jié)省人力，還可為輸水系統(tǒng)的漏損提供相關(guān)的資料，實現(xiàn)更加科學(xué)、合理的經(jīng)營。

智能化供水系統(tǒng)的信息化是通過云技術(shù)將海量的水?dāng)?shù)據(jù)接入，通過物聯(lián)網(wǎng)精確控制與大數(shù)據(jù)分析，為管理者提供更準(zhǔn)確的方向與依據(jù)。智能水務(wù)一體化系統(tǒng)將發(fā)揮其本身的優(yōu)越性，對供水系統(tǒng)進行有效的改造，本文分析NB-IOT智能水表在智慧水務(wù)中的運用。

1 水表發(fā)展史

1.1 第一階段：傳統(tǒng)水表

（1）工作原理：利用自來水流量的壓力，使水表內(nèi)的齒輪旋轉(zhuǎn)，水表上的表盤上的齒輪驅(qū)動指針旋轉(zhuǎn)，計算出用水量。

（2）功能特性：一般水表的價格較低，計量精度能夠滿足計量要求。

（3）缺點：需要員工上門抄表，容易造成漏抄、錯抄等問題。

1.2 第二階段：IC卡水表

（1）工作原理：通過傳感、微電子、智能IC等技術(shù)運用，實現(xiàn)用水量的測量、傳輸和結(jié)算交易。

（2）功能特征：用水量的記錄和電子化顯示按照約定用水量進行自動控制，實現(xiàn)階梯水費計算的自動完成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動儲存，可實現(xiàn)自動檢測、異常提示以及預(yù)付費。

（3）缺點：①IC水卡因為沒有聯(lián)網(wǎng)，所以在實際應(yīng)用中會有一定的私密性，會出現(xiàn)一些作假現(xiàn)象，有些人會因為使用偽卡而使計數(shù)器失效；物業(yè)公司如果無法對其進行有效的監(jiān)督，將會給業(yè)主帶來巨大的損失。②由于無法確定各表格的用水量，造成了統(tǒng)計、調(diào)度和平衡等問題。③IC卡水表依賴于電池，極易產(chǎn)生較大的干擾，若電量用完，無法辨識使用者的用電量。對電閥也無法正確控制，若使用者過度使用水源，亦無法有效監(jiān)測。

1.3 第三階段：智能水表

智能水表具有精確、可靠的傳感器和信號處理功能，內(nèi)置計算機和運算法則，具有各種接口和電子控制執(zhí)行器，可以對流量參數(shù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、通信和顯示。其是一種新型的電子水表，具體分為2大類，即帶有電子設(shè)備的機械儀表和電子儀表。其中，帶有電子設(shè)備的機械式水表，分為預(yù)付式水表和遠程式水表，利用常規(guī)水表來測量流量，并將傳感器安裝在水表讀數(shù)盤上或者齒輪上，將原水表的機械讀數(shù)轉(zhuǎn)化成電信號。再進行具體的采集、傳輸和儲存，并按照結(jié)算的交易模式進行自動化和手動控制[2-3]。因為基本儀表采用的是速度型，所以帶有電子設(shè)備的機械式水表是一種速度型水表，其特點是對讀數(shù)模式、顯示機制進行改進，并加入了預(yù)付費和遠程傳感。但其測量裝置和傳輸模式仍采用機械式，其精度等級達到2.0，與一般機械儀表相同。作為2.0時代的智能水表的主要產(chǎn)品，在流量傳感部件沒有機械活動部件的情況下，儀表流量傳感器采用電磁、超聲、射流等非機械部件的流量傳感器，具有測量范圍寬、精度高，工作穩(wěn)定可靠、時間長，壓力損失小等特點。

（1）工作流程：抄表人用遙控抄表方式發(fā)出抄表命令，由通信模塊接收命令，并將資料傳輸至伺服端，由抄表人進行抄寫。

（2）功能特性：自動遙控抄讀、預(yù)付費、數(shù)據(jù)報表存儲。同時，包含防破損、防倒裝以及防滴漏功能。

（3）常用的有線遠程通信和無線遠程通信，傳統(tǒng)的無線遠程通信方式是采用光電直接讀取遠程通信方式，而采用NB-IoT、LoRa、GPRS等遠程通信方式。

2 智能水表使用原則

2.1 計量性能

在設(shè)計方案時，將其原理與構(gòu)造型式結(jié)合，以保證水表各個層次的性能，關(guān)鍵在于以下幾個因素。①電動機械變換設(shè)備。這是影響智能水表計量性能的第一個因素，必須滿足控制面板功耗的設(shè)計規(guī)范，選擇硬件配置的磁-雙十簧管采樣方式，采用成分識別和延遲識別技術(shù)，對采樣數(shù)據(jù)進行識別，消除抖動效應(yīng)和磁場效應(yīng)，從而進一步改善儀表的測量穩(wěn)定性。②電子控制閥門。這是影響智能水表測量性能和系統(tǒng)可靠性的重要因素。電子控制閥的結(jié)構(gòu)對儀表的測量性能造成很大傷害，通過水表計量單位的水，由于流路的變化，會在水表中產(chǎn)生二次流。在二次流足夠強，并且與儀表測流元件的旋轉(zhuǎn)方向相符的情況下，二次流提升測量元件的速度，減少測量數(shù)據(jù)的誤差。③電池電源的特性。電池電源也會對智能水表的性能產(chǎn)生影響，電池的技術(shù)性能固然重要，但其核心是要有一個與整個儀器的整體性能相符的設(shè)計思想。在智能儀表的設(shè)計中，要充分考慮其負載、充電、放電等性能[4-5]。

2.2 DMA分區(qū)

DMA分區(qū)計量管理，是供水單位按照供水管網(wǎng)進行劃分，建立覆蓋“出廠計量-分級計量-用戶計量”的管網(wǎng)流量計量傳遞體系，實現(xiàn)網(wǎng)格化管理，能夠精準(zhǔn)查漏檢漏。分區(qū)、計量、漏檢是DMA技術(shù)3大工作重點。在各分區(qū)的進水管、出水管安裝閥門、流量計、超聲波大表等對流量進行實時監(jiān)測，對夜間流量最小化分析，從而及時發(fā)現(xiàn)、排查管網(wǎng)的損壞部位，降低漏損。

（1）減少漏損率，減少產(chǎn)銷差異：智能水表定時、定點、實時接收數(shù)據(jù)，為區(qū)域計量、水平衡測試提供準(zhǔn)確、可比較的數(shù)據(jù)支持。通過對某區(qū)域總分表進行交叉分析，經(jīng)統(tǒng)計分析后，發(fā)現(xiàn)該處漏失率過高，可以及時進行泄漏檢查，更換管線或閥門，或進行改進，提高整體工作效率，降低人力、物力消耗。

（2）幫助及時維護。智能水表管理系統(tǒng)可根據(jù)用戶的異常情況及時進行抄表，及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)或智能水表的異常情況，及時發(fā)出工作指令，安排檢查或維修人員到現(xiàn)場解決問題，降低管道檢查的工作量，并在同一時間內(nèi)及時向有關(guān)用戶報告問題，降低水資源的損耗。

2.3 用戶服務(wù)及時性

通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，構(gòu)建“智慧水務(wù)”系統(tǒng)，已成為供水企業(yè)的發(fā)展趨勢，遠程智能水表是其中的核心部分，可以通過數(shù)據(jù)的傳遞，對住戶的用水量進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題。在智能遠程小表改造中，對日結(jié)數(shù)據(jù)和瞬時數(shù)據(jù)進行分析，及時發(fā)現(xiàn)故障，提高維修質(zhì)量。

3 NB-IoT智能水表在智慧水務(wù)中應(yīng)用

3.1 智能水表結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)利用NBIOT的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了ZigBee子結(jié)點與主結(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，由中間協(xié)調(diào)器對信息進行接收和處理，協(xié)調(diào)器利用NBIOT與公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行通信。用戶可以通過關(guān)注用戶號訪問服務(wù)器、登錄網(wǎng)頁等方式查看用戶的飲用水情況，從而實現(xiàn)對用戶的多個飲水點的水量和水質(zhì)進行實時監(jiān)測，并為水量較少、水過期用戶發(fā)送提醒信息[6-7]。

ZigBee的子結(jié)點均具有較低的功耗，使用干電池作為電源，ZigBee間通過多播進行通訊。既有廣播的優(yōu)勢，又能降低協(xié)調(diào)程序的負荷。同時，將整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)分成2個階段：初始化和結(jié)點加入。在此基礎(chǔ)上，節(jié)點的入網(wǎng)方式主要是與協(xié)調(diào)器的接入，或者是通過現(xiàn)有的母節(jié)點。ZigBee無線組網(wǎng)功能是將傳感器發(fā)送的信息以無線的形式發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

利用串口接口將ZigBee協(xié)調(diào)器與STM32相連，完成對數(shù)據(jù)的處理。該單片機采用多個串行接口，通過單片機的串行接口將其與 NBIOT相連，從而降低硬件設(shè)計的復(fù)雜性，減少程序編制難度，確?？煽康男畔鬟f。

ZigBee協(xié)調(diào)者僅負責(zé)接收到的數(shù)據(jù)的串口轉(zhuǎn)發(fā)，不會處理數(shù)據(jù)。呼叫函數(shù)識別、處理、串口傳送至STM32。STM32單片機的主要功能是進行MCU的初始化、外部設(shè)備的聯(lián)接以及數(shù)據(jù)的處理。該方法首先對系統(tǒng)進行初始化，建立了各設(shè)備的通訊，并對ZigBee協(xié)調(diào)程序發(fā)出的數(shù)據(jù)進行處理，并將這些數(shù)據(jù)傳送給NBIOT。NBIOT的主要功能是向服務(wù)器傳輸來自STM32的數(shù)據(jù)。這個過程就是對與STM32進行通訊的串行接口進行初始化，然后等待數(shù)據(jù)的接收，然后發(fā)送到服務(wù)器。

3.2 主要功能

NB-Iot智能水表系統(tǒng)是由水表、集水器、傳輸線構(gòu)成的遠程抄表系統(tǒng)，采用微機技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)和水表計量技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)計量、數(shù)據(jù)采集、處理于一體，有利于城市用水的綜合化處理，取代了傳統(tǒng)手工抄表，實現(xiàn)抄表的智能化，進而優(yōu)化工作效率。同時，NB-IOT智能水表自帶采集、電閥、電源、閥控以及智能卡讀卡[8]。該系統(tǒng)的主要作用是方便進行水費的交易，達到零欠費，可以有效地改善水廠的運行狀況，但其缺點是沒有辦法對用戶的用水進行實時監(jiān)測。由于不能準(zhǔn)確地計算出每個地區(qū)的用水量，同時也會影響到產(chǎn)銷差率的統(tǒng)計。因此，IC卡水表的用戶以物業(yè)公司為主，而遠傳智能水表的用戶則是自來水企業(yè)、水務(wù)局等單位。

NB-Iot智能水表采用了時差法進行流量測量，即在測量管道（管道）的上下兩端各裝有一個超聲傳感器，以實現(xiàn)超聲信號的雙向傳輸和接收。由于超聲波信號與水流信號的重疊，所以在順、反向2種情況下，聲波的傳播速率是不一樣的，所以不同傳感器所發(fā)出的超聲波信號在水中的運動時間也是不一樣的。然后將其轉(zhuǎn)換為流量，由此可對其進行計量。在流量管的頂端有兩個傳感器，A傳感器將超聲波信號（順流）發(fā)送給乙傳感器，而乙傳感器將超聲波信號（反向流動）發(fā)送到 A傳感器，在發(fā)送期間，順流和反向的超聲信號在傳送期間產(chǎn)生了一定的延遲，當(dāng)校準(zhǔn)后的管截面和標(biāo)準(zhǔn)的管長時，利用積分儀上的運算芯片來計算。

3.3 功能實現(xiàn)

NB-IoT智能水表具有預(yù)付費的特點，同時具有遠程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控的能力，可有效地解決熱水、冷水、純凈水等遠程抄表、收費、監(jiān)控等問題。該技術(shù)具有低功耗、大連接、大覆蓋等優(yōu)勢，可以用于2G，3G，4G網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，并將其用于WAN通信技術(shù)。NB-IoT智能水表利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)水信息的遠程監(jiān)控，為供水企業(yè)開創(chuàng)了一個全新的智能化水表時代[9]。

3.4 優(yōu)勢分析

NB-Iot智能水表是一種完全電子水表，利用超聲波時差原理，利用工業(yè)電子元件制作。相對于機械式水表，其測量精度高、工作可靠、測量范圍大、使用壽命長。不需要任何可移動的零件，不需要設(shè)定參數(shù)，可以隨意地安裝。NB-Iot智能水表在測試管線中沒有任何運動和阻流部件，不會造成任何的磨損和壓力損耗，具有很高的靈敏度，可以探測到流動速度的細微改變。同時，對被測介質(zhì)的要求很低，量程比很大，而且NB-Iot智能水表結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，特別適用于民用和工業(yè)領(lǐng)域的測量。此外，物聯(lián)網(wǎng)智能水表以機械水表為基礎(chǔ)，加入NB-IoT遠程傳輸模塊組成的智能化水表。產(chǎn)品的計量性能達到飲用水水表的國家標(biāo)準(zhǔn)。

通過比較，以前的遠程電子水表，有些是通過長距離傳輸（布線困難），有些則是通過小型遠程通信（需要安裝集線器），也有CDMA、GPRS等技術(shù)，但都有一定的缺陷，所以從整體上來說，物聯(lián)網(wǎng)智能水表是一種很好的遠傳水表。物聯(lián)網(wǎng)智能水表采用全無線技術(shù)，無需一條纜線，即可實時監(jiān)測日常用水量，并隨時了解蓄電池的電壓狀況。內(nèi)建鋰電池，運行時間長達6年，覆蓋范圍廣，信號好，不需要再安裝集中器，準(zhǔn)確度95%以上。

4 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展，智能水表將更加準(zhǔn)確、電子化、物聯(lián)網(wǎng)化，NB-IOT智能水表在未來的供水調(diào)度、管網(wǎng)滲漏檢測和定位中將起到重要的作用。供水企業(yè)應(yīng)本著經(jīng)濟合理、適用的原則，結(jié)合生產(chǎn)實際，合理選用各類智能水表，以達到科學(xué)、合理的管理需求。同時，水表行業(yè)要緊跟時代步伐，緊跟時代發(fā)展，注重水表產(chǎn)品和技術(shù)的變革，注重應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。為適應(yīng)社會需要，研制出更加簡便、易于使用的智能水表。