摘要：我國是淡水資源嚴重短缺國家，人均水資源佔有量不到全球平均數的1/4，是13個貧水國家之一。目前，我國不但有大量的地下和地表水被汙染，而且還有平均約20％的優質飲用水從地下管網漏失。隨著智慧城市的發展，物聯網和雲計算技術首當其衝，預測到2020年世界上將有200億到2000億的物聯網終端設備接入到網絡。2017年國家工信部下發《關於全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知》要求三家運營商公司積極進行網絡部署，並加快商用步伐。湖南常德牌水錶製造有限公司搶先佈局，2017年先後和三大運營商簽訂了戰略合作協議，加緊研發，快速將NB-IoT物聯網水錶系列產品推向市場。
關鍵詞：物聯網水錶；NB-IoT；智慧城市；常德牌水錶
1 行業背景
我國是淡水資源嚴重短缺國家，人均水資源佔有量不到全球平均數的1/4，是13個貧水國家之一。目前，我國不但有大量的地下和地表水被汙染，而且還有平均約20％的優質飲用水從地下管網漏失。
“十三五”時期（2016-2020年）將是我國全面建成小康社會，實現中華民族偉大復興中國夢的關鍵時期，資源、能源的發展面臨前所未有的機遇和挑戰。隨著十二五時期《物聯網十二五發展規劃》、《關於實行最嚴格水資源管理制度的意見》（國發〔2012〕3號）、《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業發展行動計劃》等政策的出臺，以及在十三五時期國家繼續深化改革的政策指導下，物聯網智能水錶及智慧水務系統行業將保持較高的增長速度，市場規模將不斷擴大。國家政策的導向對於水務行業未來的發展具有重要的戰略意義。
同時技術層面上，2017年國家工信部下發《關於全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知》要求三家運營商公司積極進行網絡部署，並加快商用步伐。目前，中國電信已於2017年上半年實現全網商用部署，中國移動、中國聯通也於2017年開啟了商用化進程。湖南常德牌水錶製造有限公司搶先佈局，2017年先後和三大運營商簽訂了戰略合作協議，加緊研發，快速將NB-IoT物聯網水錶系列產品推向市場。
2 市場前景
據產業研究院《中國智能水錶行業趨勢前瞻與投資分析報告》整理數據統計，當前我國智能水錶滲透率約20%，年產銷量1500萬臺，對應市場規模僅為50億元。但是隨著國家政策層面，“一戶一表”、“四表集抄”、“階梯水價”、“6年強制檢定”以及“三供一業”的政策刺激，水務行業對智能水錶的投入和需求越來越高；
近年來，我國智能水錶的產量一直以接近20%的速度增長，隨著新一代物聯網的商用以及NB-IoT物聯網智能水錶的量產，將進一步推動我國智能水錶的增長。《我國水錶行業“十三五”發展規劃綱要》指出，“十三五”期間智能水錶(含智能應用系統)銷售收入佔全部水錶銷售比例要達到40%。伴隨著政策向好，智能水錶的市場規模也將穩步提升，預計未來增速將達到28%，到2020年智能水錶的滲透率將接近45%，年出貨量4500萬臺。
圖1 2012-2020年智能水錶滲透率預測
在“十三五”期間，我國推進了三個批次、共計277個智慧城市試點工作，並取得了較好效果。“十三五”期間，智慧城市建設市場規模將達到4萬億元。智能水錶作為智慧城市建設中智慧水務建設的關鍵一環，將迎來巨大的市場需求空間。
隨著我國智慧城市建設的不斷深入推進以及物聯網技術的不斷髮展，智能水錶行業將穩步向前發展。據業內人士預測，我國當前約4.5億家庭用戶、按照40%-50%的物聯網水錶增長趨勢，未來五年我國將新增智能水錶超過1.5億臺，對應市場規模將達到400億元，市場前景非常可觀。
圖2 2017-2025年智能水錶市場規模預測
3 核心技術
智能水錶的核心是物聯網技術，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是物聯網技術中一種基於蜂窩的窄帶物聯網的新興技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWA）。它支持海量連接、有深度覆蓋能力、功耗低，這些與生俱來的優勢讓它非常適合於傳感、計量、監控等物聯網應用，適用於智能抄表（水、電、氣）、智能停車、車輛跟蹤、物流監控、智慧農林牧漁業以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社區等等領域。這些領域對廣覆蓋、低功耗、低成本的需求非常明確，目前廣泛商用的2G/3G/4G及其他無線技術都無法滿足這些挑戰。
NB-IoT窄帶物聯網的優勢有五點。
優勢一：海量連接
NB-IoT比2G/3G/4G有50~100倍的上行容量提升，這也就意味著，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50~100倍的接入數。舉個簡單的例子，某小區網絡由一個基站覆蓋，使用原有無線網絡只能支持每個家庭中5個終端接入，可能4個手機、1個平板電腦就佔滿了，那麼以後各種智能家電以及許許多多傳感設備需要聯網時就難以接入了。而NB-IoT至少提供50倍接入數量即250個終端接入，足以滿足未來智慧家庭中大量設備聯網需求。
優勢二：深度覆蓋
NB-IoT比LTE提升20dB增益，相當於發射功率提升了100倍，即覆蓋能力提升了100倍，就算在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也能覆蓋到。利用這一優勢，沃達豐的NB-IoT實驗局正在開展地下車庫指示的項目。傳統地下車庫內導航定位系統網絡構建需要WiFi、藍牙等局域無線技術的支持，這個導航指示網絡也只限於本停車場使用。如果使用深度覆蓋的NB-IoT網絡，只需外掛定位模塊即可，而且可以構建跨區域的停車指示和導航。
優勢三：低成本
低速率低功耗低帶寬帶來的是低成本優勢。速率低就不需要大緩存，所以可以緩存小、DSP配置低;低功耗，意味著RF設計要求低，小PA就能實現;因為低帶寬，就不要複雜的均衡算法……這些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相關，尺寸越小，成本越低，模塊的成本也隨之變低。
優勢四：超低功耗
低功耗特性是物聯網應用一項重要指標，特別對於一些不能經常更換電池的設備和場合，如安置於高山荒野偏遠地區中的各類傳感監測設備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池使用壽命是最本質的需求。在電池技術無法取得突破的前提下只能通過降低設備功耗以延長電池供電時間。
通信設備消耗的能量往往與數據量或速率相關，即單位時間內發出數據包的大小決定了功耗的大小。數據量小，設備的調制解調器和功放就可以調到非常小的水平。NB-IoT聚焦小數據量、小速率應用，因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小。另外，為了進一步降低功耗，延長電池使用時間，NB-IoT引入了超長DRX(非連續接收)省電技術和PSM省電態模式。NB-IoT可以讓設備時時在線，但是通過減少不必要的信令和在PSM狀態時不接受尋呼信息來達到省電目的。這樣可以保障電池5年以上的使用壽命。
優勢五：穩定可靠
NB-IoT直接部署於GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，即可與現有網絡基站複用以降低部署成本、實現平滑升級，但是使用單獨的180KHz頻段，不佔用現有網絡的語音和數據帶寬，保證傳統業務和未來物聯網業務可同時穩定、可靠的進行。以智能抄表應用為例，與採用有線PLC抄表數據回收成功率在60%左右相比，NB-IoT可以保證數據成功回收率達99%，可靠性大幅提高。
4 解決方案
4.1 NB-IoT物聯網水錶
湖南常德牌水錶製造有限公司基於NB-IoT物聯網技術於2017年推出了NB-IoT物聯網水錶，是基於NB-IoT物聯網技術的一款全新的物聯網水錶。
該NB-IoT物聯網水錶無需集中器等中間採集設備，直接與NB-IoT基站進行TCP/IP或UDP/IP通信。遠程集中抄表方案由NB-IoT物聯網水錶和系統主站組成，實現水量數據的集抄、傳輸、導出和存儲，並對錶具運行情況監控，具備水量統計分析、結算收費、遠程閥控等功能，為管理部門實施階梯收費提供準確、及時的水量信息數據。電子單元與基表分開的稱為分體式結構，電子單元與基表結合在一起的稱為整體式結構。
該NB-IoT物聯網水錶主要包含以下特點：
- 水錶數據通過NB-IOT物聯網專網傳輸，數據安全可靠；
- 採樣電信IOT平臺與電信 NB 網絡進行有機協同，能夠有效緩解擁塞，保障業務成功；
- 統一開發接口，可支持多廠家、多設備集成，便於後期維護；
- 水錶採用機電分離結構設計，前期安裝施工簡單，後期維護、更換方便；
- 採用雙霍爾傳感器設計，可實現水錶正反向計量，保證機電完全同步，沒有累計誤差；
- 內置大容量鋰電池，電池使用壽命超過6年；
- 水錶出廠預存6年模塊通訊費用，無需擔心欠費停機
- 開閥應急處理機制，水錶欠費關閥後，可通過外部開關觸發水錶在48小時之內保持閥門開啟狀態；
- 水錶監測到磁干擾、電池低壓，主動上傳異常報警到抄表平臺，可實時監測。
圖5 NB-IoT物聯網水錶構件圖
該NB-IoT物聯網水錶技術參數如下：
5.2 基於IoT的物聯網採集設備
湖南常德牌水錶製造有限公司於2018年推出一款基於NB-IoT的物聯網採集設備，該採集設備主要實現通過向下採集傳統有線和短距離小無線智能水錶數據，向上基於NB-IoT窄帶物聯網通信技術上報集採數據到服務器智慧水務採集系統，實現高效、穩定、遠傳數據採集。
該採集設備針對傳統的TTL（Transistor-Transistor Logic，邏輯門電路）無法實現遠距離通信，易受到現場環境的干擾，使得數據在傳輸時容易出現錯位，且需要提供電源線，RS485通訊同樣需要電源線，不僅大大提高了施工成本，而且不易維護，故障率高，帶載能力弱。解決了傳統的M-Bus（symphonic mbus，遠程抄表系統）技術兩線制來進行數據通信的方式，存在電壓不穩，帶載能力弱等缺陷。
該基於NB-IoT物聯網採集設備包括：主控模塊，用於向通道選擇模塊發送控制指令，控制所述通道選擇模塊打開指定的通道，並通過打開的通道向對應的表端發送抄表指令，並向單電源調壓器發送指示信號；所述單電源調壓器，用於根據所述指示信號調製對應的電壓，並將所述指示信號中的表端地址加載在調製的電壓裡通過所述打開的通道發送給表端，以使所述表端地址對應的表端響應所述抄表指示；單端比較解調模數轉換模塊，用於在所述表端響應所述抄表指示後，通過所述打開的通道接收所述表端的模擬信號，並將所述模擬信號處理成數字信號，將所述數字信號發送給所述主控模塊；所述通道選擇模塊，包括多個分別連接到多個所述表端的通道。
圖7 NB-IoT物聯網採集終端抄表系統結構示意圖
主控模塊用於向通道選擇模塊發送控制指令，控制所述通道選擇模塊打開指定的通道，並通過打開的通道向對應的表端發送抄表指令，並向單電源調壓器發送指示信號；
圖8 物聯網採集終端主控模塊結構示意圖
所述單電源調壓器，與所述主控模塊以及所述通道選擇模塊連接，用於根據所述指示信號調製對應的電壓，並將所述指示信號中的表端地址加載在調製的電壓裡通過所述打開的通道發送給表端，以使所述表端地址對應的表端響應所述抄表指示；
圖9 物聯網採集終端單電源調壓器結構示意圖
單端比較解調模數轉換模塊，與所述主控模塊以及所述通道選擇模塊連接，用於在所述表端響應所述抄表指示後，通過所述打開的通道接收所述表端的模擬信號，並將所述模擬信號處理成數字信號，將所述數字信號發送給所述主控模塊；
圖10 物聯網採集終端單端比較解調模數轉換模塊結構示意圖
所述通道選擇模塊，包括多個分別連接到多個所述表端的通道。
圖11 物聯網採集終端通道選擇模塊結構示意圖
在一實施例中，所述單電源調壓器包括：
三極管，用於接收所述主控模塊發送的指示信號，並根據所述指示信號的變化導通或截止；
穩壓單元，用於根據所述三極管的導通或截止，調製得到不同的電壓。
在一實施例中，所述單端比較解調模數轉換模塊包括：
帶通濾波單元，用於對所述表端的模擬信號中的干擾信號進行濾除，得到有效信號；
運算放大單元，與所述帶通濾波單元連接，用於將所述有效信號進行放大，並將放大後的信號與設定信號進行電壓的比較；
轉換單元，與所述運算放大單元連接，用於根據比較結果進行轉換，得到數字信號。
在一實施例中，所述通道選擇模塊的通道包括：
繼電器，用於在接收到所述控制信號時打開，並基於所述控制信號中的表端地址打開對應的通道；還用於在未接收到控制信號時關閉，並關閉通道。
所述主控模塊向所述通道選擇模塊發送控制指令，控制所述通道選擇模塊打開指定的通道，並通過打開的通道向對應的表端發送抄表指令，所述主控模塊還向所述單電源調壓器發送指示信號；
所述單電源調壓器根據所述指示信號調製對應的電壓，將所述指示信號中的表端地址加載在調製的電壓裡通過所述打開的通道發送給所述表端，以使所述表端地址對應的表端響應所述抄表指示；
所述單端比較解調模數轉換模塊在所述表端響應所述抄表指示後，通過所述打開的通道接收所述表端的模擬信號，將所述模擬信號處理成數字信號，並將所述數字信號發送給所述主控模塊。
在一實施例中，所述單電源調壓器根據所述指示信號調製對應的電壓，包括：
所述三極管接收所述指示信號，根據所述指示信號導通或截止；
所述穩壓單元根據所述三極管的導通或截止，調製得到不同的電壓。
在一實施例中，所述單端比較調製模數轉換模塊將所述模擬信號處理成數字信號，包括：
所述帶通濾波單元對所述表端的模擬信號中的干擾信號進行濾除，得到有效信號；
所述運算放大單元將所述有效信號進行放大，並將放大後的信號與設定信號進行電壓的比較；
所述轉換單元根據比較結果進行轉換，得到數字信號。
在一實施例中，所述方法還包括：
所述繼電器在接收到所述控制信號時打開，並基於所述控制信號中的表端地址打開對應的通道；在未接收到控制信號時關閉，並關閉通道。
從上面所述可以看出，本發明提供的抄表系統及抄表方法，具備電壓輸出可調，調壓範圍寬，穩定性能好，噪聲低，紋波抑制比高，帶載能力強等優點。採用單電源供電及多通道抄表技術，不僅優化了針對M-Bus抄表電路的結構，減少電子元器件的用量，降低產品的成本，僅在抄表時對下行表計供電，降低整體功耗，增加了現場環境的適應能力、抄表的帶載能力。
6 應用場景
6.1 新建小區
新建小區採用NB-IoT物聯網水錶可以簡單方便的解決抄表收費難問題，信號穿透力強，能有效解決複雜戶型下的抄表問題，NB-IoT物聯網閥控水錶也能遠程對欠費水錶進行遠程開關閥操作，解決收費難等問題。
圖12 NB-IoT物聯網水錶新建小區安裝示意圖
使用對象：水務集團、新建小區樓盤
效益：安裝簡單、信號穩定、降低維護工作量、提高用水安全，解決收費難問題。
6.2 三供一業老城區改造
老舊小區通常存在許多安全隱患、入戶抄表難。採用NB-IoT物聯網水錶進行改造部署，消除廚房、衛生間等對水錶信號的阻隔和干擾，不需要再考慮抄表入戶難得問題。NB-IoT
物聯網閥控水錶也能遠程對欠費水錶進行遠程開關閥操作，同時也能及時得發現老舊管道得漏水、偷水等隱患。
圖13 NB-IoT物聯網水錶老舊小區安裝示意圖
使用對象：自來水公司、物業公司
效益：安裝簡單、信號穩定、降低維護工作量、解決抄表入戶難、收費難、偷水漏水問題。
6.2 農村用水及戶表改造
農村地區的居民分佈比較零散，居民離營業廳距離遠、繳費難、偷水漏水難以及時發現。採用NB-IoT物聯網水錶，安裝簡單，信號穩定，居民用水可以足不出戶即可網上、手機繳費，降低維護難度，節約成本。
圖14 NB-IoT物聯網水錶農村用水安裝示意圖
使用對象：區縣、農村自來水公司
效益：安裝簡單、信號穩定、降低維護工作量、解決收費難、偷水漏水問題。
7 結論
本文介紹了一種NB-IoT物聯網水錶及一種基於IoT物聯網技術的採集終端設備，著重介紹了NB-IoT物聯網水錶及採集終端的技術參數、技術特點；特別針對基於IoT的物聯網採集設備的架構設計、主控模塊、單電源調壓器、單端比較解調模數轉換器等關鍵元器件的邏輯、電路板的設計開發以及產品在開發時對其可靠性、兼容性、穩定性、高性能等進行重點設計和關注。該NB-IoT物聯網水錶以及基於IoT的物聯網採集終端的研發和推向市場解決了原來智能水錶抄表成功率低、功耗高、網絡覆蓋範圍小、水錶負載量有限等問題，實現了真正的高效快速抄表、提高效率、降低成本、提升用戶用水滿意度。
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