智能水表物聯(lián)網(wǎng)整體解決方案

                      張衛(wèi)紅

深圳市興源智能儀表股份有限公司 廣東省 深圳市 郵編：518100

摘要：作者就智能水表行業(yè)機(jī)電轉(zhuǎn)換技術(shù)和通訊采集技術(shù)進(jìn)行簡單的闡述，重點(diǎn)針對行業(yè)智能抄表應(yīng)用過程中存在的痛點(diǎn)問題提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的整體解決方案，方案中不再限于用哪一個(gè)技術(shù)來解決所有現(xiàn)場問題，而是綜合考慮了現(xiàn)場環(huán)境、各種技術(shù)特點(diǎn)、工程難度、售后難度等因素采用技術(shù)互補(bǔ)的方式因地制宜，方案能夠滿足和解決供水企業(yè)面臨的新建樓盤、舊城改造、商業(yè)客戶等智能化抄表的需求，為行業(yè)智能抄表方案提出了一種新的思路。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；一體式物聯(lián)網(wǎng)表；分體式物聯(lián)網(wǎng)表；表井采集；單元采集；NB-IOT

一、智能水表機(jī)電轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展歷程

上世紀(jì)九十年代中期，國內(nèi)出現(xiàn)了以干簧管為代表的脈沖轉(zhuǎn)換式水表實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換。該技術(shù)理論存在脈沖累積誤差；在現(xiàn)場應(yīng)該方便存在外部磁場干擾和水管抖動(dòng)產(chǎn)生錯(cuò)誤脈沖的問題，后期行業(yè)采用霍爾元件替代干簧管以降低外磁干擾和防抖動(dòng)。國外多采用無磁傳感的方式實(shí)現(xiàn)脈沖累積過程，有效的降低了外部磁場的干擾。

2000年-05年，百花齊放時(shí)代，出現(xiàn)了光電直讀技術(shù)、攝像式直讀技術(shù)，電阻觸盤式技術(shù)，其中光電走讀技術(shù)也產(chǎn)生了透射式、對射式，反射式等類型。

2006年-2012年，市場對一些不成熟的產(chǎn)品進(jìn)行了淘汰，電子遠(yuǎn)傳水表開發(fā)更趨理性，更強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定和可靠，計(jì)數(shù)要求準(zhǔn)確。在大面積使用過程中光電式對射直讀技術(shù)和產(chǎn)品趨于成熟并得到了用戶的一致認(rèn)可。

隨著客戶對水表計(jì)量精度要求的提高，原有的機(jī)械計(jì)量技術(shù)已經(jīng)不能滿足用戶的需求，電子計(jì)量技術(shù)得到了快速的發(fā)展，目前超聲計(jì)量技術(shù)、電磁計(jì)量技術(shù)、速度感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到水流量計(jì)量產(chǎn)品中，在始動(dòng)流量、量程比、計(jì)量精度方面相比傳統(tǒng)的機(jī)械計(jì)量技術(shù)有較大的優(yōu)勢。

二、智能水表通訊技術(shù)發(fā)展歷程

上世紀(jì)九十年代末，國內(nèi)智能水表行業(yè)借鑒電表、安防等行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，采用RS-485 國際標(biāo)準(zhǔn)總線通訊技術(shù)來解決自動(dòng)抄水表功能。2007年左右國內(nèi)部分智能水表企業(yè)開始在歐洲Mini-BUS 的總線電路進(jìn)行修改后產(chǎn)生了國內(nèi)的M-BUS 總線電路，但各企業(yè)的M-BUS 總線電平處理方式有細(xì)微差別，各廠家的產(chǎn)品之間兼容性較差?？偩€制通訊技術(shù)方案由于存在大量工程布線工作，所以主要用于新建樓盤和小區(qū)，必須在弱電建設(shè)時(shí)介入預(yù)留布線管道。對于舊小區(qū)改造等不方便布線的環(huán)境不適用。

2010年左右，隨著智能抄表在水行業(yè)的廣泛應(yīng)用，部分城市除了新建樓盤采用智能水表，周期更換項(xiàng)目也開始采用智能水表。舊小區(qū)無法布線原有總線制通訊方案的弊端暴露出來。在這種背景下小無線通訊技術(shù)開始在智能水表上應(yīng)用，從早期的 Zigbee 到 RF(FSK)、 LORA。無論哪種小無線在實(shí)際應(yīng)用過程中都無可避免出現(xiàn)信號干擾、穿透能力有限，無法保證無線水表大面積應(yīng)用過程中信號的有效覆蓋和通訊穩(wěn)定性。

2013年左右，隨著中移物聯(lián)網(wǎng)成立并推出物聯(lián)網(wǎng)卡業(yè)務(wù)，GPRS流量費(fèi)用得到了大幅下降，原來只用在集中器類設(shè)備上的GPRS 技術(shù)開始向智能水表終端轉(zhuǎn)移。2014年三川水表、興源儀表推出物聯(lián)網(wǎng)水表，將智能水表在水司應(yīng)用趨向于簡單化，供水公司可以像普通水表一樣去安裝和維護(hù)。為周期更換水表業(yè)務(wù)提供了一種更簡便的智能化手段。但是也存在一些問題，第一，由于水表安排位置一般在角落或者是比較密閉的管道井，部分水表的位置基站信息并不好，在大面積使用過程中總會(huì)碰到一些點(diǎn)信息不好無法保證通訊穩(wěn)定性。第二，采用GPRS 模塊通訊功耗過大，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)雙方通訊，只能采取定向喚醒通訊的方式。

2015年隨著華為在歐洲商用NB-IOT成功，華為與三大運(yùn)營商簽訂了NB-IOT技術(shù)在中國商用的戰(zhàn)略計(jì)劃，NB-IOT將在未來的物聯(lián)網(wǎng)層面上取代現(xiàn)有的GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)。華為在NB-IOT技術(shù)宣傳中提及的更強(qiáng)的穿透能力、覆蓋能力、與LORA相當(dāng)?shù)牡凸囊苍S能解決上述GPRS 的問題，但我們認(rèn)為NB-IOT畢竟是基于廣域的網(wǎng)絡(luò)，很難保證每一個(gè)角落的信號覆蓋和通訊可靠性。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的水務(wù)數(shù)據(jù)采集整體方案

在第二點(diǎn)中分析各種通訊技術(shù)的特點(diǎn)和其在實(shí)際應(yīng)用過程中的優(yōu)劣勢，我們可以看到不管哪一種通訊技術(shù)都不能解決水務(wù)數(shù)據(jù)采集所有問題，所以需要綜合各種技術(shù)特點(diǎn)針對不同應(yīng)用環(huán)境采用不同通訊方案。

以下是整體采集方案的系統(tǒng)架構(gòu)圖，總共分為三種通訊方案，根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場可以采用這三種方案搭配來解決現(xiàn)場應(yīng)用問題。

系統(tǒng)分為：數(shù)據(jù)采集層、云數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用平臺三部分。

數(shù)據(jù)采集層：包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備和智能水表，共三種具體的采集方案適用于不同的現(xiàn)場環(huán)境。

云數(shù)據(jù)中心：完成與設(shè)備和智能水表的通訊、設(shè)置和控制等功能。

應(yīng)用平臺：對采集回來的數(shù)據(jù)根據(jù)客戶業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)以及數(shù)據(jù)展示，并預(yù)留其它應(yīng)用軟件的接口，如營業(yè)收費(fèi)軟件接口。

3.1 采集方案

智能抄表方案一般來說由智能水表、采集設(shè)備、現(xiàn)場工程三部分組成，其中設(shè)備調(diào)試與現(xiàn)場工程是復(fù)雜的。

物聯(lián)網(wǎng)的采集方案基于GPRS或NB-IOT的基站網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，同時(shí)考慮了水務(wù)的應(yīng)用環(huán)境具有幾個(gè)特點(diǎn)：

a. 最大的特點(diǎn)是最大限度的減少了現(xiàn)場工程量和設(shè)備調(diào)試工作，使客戶應(yīng)用智能水務(wù)的過程更加便捷。

b. 采用運(yùn)營商專用M2M 芯片，通過運(yùn)營商專網(wǎng)通訊，專網(wǎng)傳輸可靠、數(shù)據(jù)保密性強(qiáng)，同時(shí)產(chǎn)品中包括生命同期內(nèi)通訊費(fèi)用，無需再單獨(dú)辦理SIM 和繳納流量費(fèi)用。

c. 客戶可以自行通過后臺定義抄表頻次和數(shù)據(jù)上傳頻次，用于滿足不同水務(wù)業(yè)務(wù)的需求。

物聯(lián)網(wǎng)采集方案共分為三種：

1. 物聯(lián)網(wǎng)水表，根據(jù)現(xiàn)場安排環(huán)境又可分為一體式物聯(lián)網(wǎng)水表和分體式物聯(lián)網(wǎng)水表。

一體式物聯(lián)網(wǎng)水表，安裝使用簡單，用戶可以像使用普通水表一樣安裝使用，沒有任何現(xiàn)場工程，適用于安裝在地面以上手機(jī)信號較好的環(huán)境?？梢杂糜谛陆ㄐ^(qū)和舊改小區(qū)； 特別適用于舊小區(qū)改造、別墅區(qū)、綠化用表、快速干道表等水表相對分散的環(huán)境。

分體式物聯(lián)網(wǎng)水表是針對水表安裝在地面以下或者是水表安裝相于密閉的空間，信號不好，通過分體式的安裝將通訊部件移到地面以上或有信號的地方，這樣就不用改變水表安裝位置來解決信號問題。比較常見的應(yīng)用環(huán)境為大口徑水表和綠化水表。

兩種產(chǎn)品都采用電池供電，使用壽命6年，客戶可以根據(jù)需求自行在后臺設(shè)備抄表的頻次和數(shù)據(jù)上傳頻次。

目前兩種產(chǎn)品上行采用GPRS 通訊，后續(xù)NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)完成后即可切換成NB-IOT通訊。

2. 物聯(lián)網(wǎng)表井采集方案，利用一個(gè)物聯(lián)采集設(shè)備把一個(gè)表井的水表通過總線連起來完成水表的數(shù)據(jù)采集和通訊控制功能。這種方案最大限度的最少了現(xiàn)場工程量，可以用于新建小區(qū)，但更適合各種老舊小區(qū)改造，省去了絕大部分的布線工程又降低了成本。

物聯(lián)網(wǎng)表井采集方案主要解決兩個(gè)問題：

a. 表井密閉，井內(nèi)信號不好，通過將設(shè)備安裝表井外解決信號問題。

b. 相對單表物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品成本更低，更適合集中樓盤大面積推廣。        

目前產(chǎn)品上行采用GPRS 通訊，后續(xù)NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)完成后即可切換成NB-IOT通訊。

3. 單元采集方案，利用一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備把一個(gè)單元或一棟樓的水表通過總線連起來完成水表的數(shù)據(jù)采集和通訊控制功能。適用于新建小區(qū)，以管道井為單元，最大限度的兼顧了成本與工程量，建議盡量不要跨單元施工。

目前產(chǎn)品上行采用GPRS 通訊，后續(xù)NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)完成后即可切換成NB-IOT通訊。

4. 以上方案之所以叫物聯(lián)網(wǎng)采集方案是因?yàn)?，以上的方案中使用網(wǎng)絡(luò)及模組是由運(yùn)營商提供專用的通訊模塊、工業(yè)級M2M貼片卡、專用網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于市面上普通的通訊模塊、插入式的手機(jī)SIM卡和2G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)。比如：工業(yè)級芯片卡是直接嵌入在GPRS模塊里面的，使用壽命12年，不用擔(dān)心松動(dòng)、表面氧化等情況，專用網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠、數(shù)據(jù)保密性強(qiáng)，不用擔(dān)心電話高峰期網(wǎng)絡(luò)“堵車”。

四、 環(huán)境方案配置

作者簡介：張衛(wèi)紅  男  

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)，畢業(yè)后進(jìn)入華為技術(shù)、艾默生網(wǎng)絡(luò)能源中國(原華為電氣)工作10年，先后負(fù)責(zé)通信電源、工業(yè)精密空調(diào)等產(chǎn)品線的產(chǎn)品管理工作。

2011年就職于深圳市興源智能儀表科技有限公司研發(fā)部經(jīng)理，致力于智能遠(yuǎn)傳水表及系統(tǒng)的技術(shù)和產(chǎn)品研究工作。

現(xiàn)任深圳市興源智能儀表股份有限公司副總經(jīng)理，分管產(chǎn)品研發(fā)中心。2014年開始參與并負(fù)責(zé)國家十二五《城市供水管網(wǎng)智能管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》科研攻關(guān)項(xiàng)目；2015年先后參與并負(fù)責(zé)中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)水務(wù)解決方案項(xiàng)目、騰訊QQ物聯(lián)智能水務(wù)解決方案項(xiàng)目；2016年參與并負(fù)責(zé)NB-IOT 深圳水務(wù)集團(tuán)技術(shù)試點(diǎn)項(xiàng)目。