摘要：我国是淡水资源严重短缺国家，人均水资源占有量不到全球平均数的1/4，是13个贫水国家之一。目前，我国不但有大量的地下和地表水被污染，而且还有平均约20％的优质饮用水从地下管网漏失。随着智慧城市的发展，物联网和云计算技术首当其冲，预测到2020年世界上将有200亿到2000亿的物联网终端设备接入到网络。2017年国家工信部下发《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》要求三家运营商公司积极进行网络部署，并加快商用步伐。湖南常德牌水表制造有限公司抢先布局，2017年先后和三大运营商签订了战略合作协议，加紧研发，快速将NB-IoT物联网水表系列产品推向市场。
关键词：物联网水表；NB-IoT；智慧城市；常德牌水表
1 行业背景
我国是淡水资源严重短缺国家，人均水资源占有量不到全球平均数的1/4，是13个贫水国家之一。目前，我国不但有大量的地下和地表水被污染，而且还有平均约20％的优质饮用水从地下管网漏失。
“十三五”时期（2016-2020年）将是我国全面建成小康社会，实现中华民族伟大复兴中国梦的关键时期，资源、能源的发展面临前所未有的机遇和挑战。随着十二五时期《物联网十二五发展规划》、《关于实行最严格水资源管理制度的意见》（国发〔2012〕3号）、《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》等政策的出台，以及在十三五时期国家继续深化改革的政策指导下，物联网智能水表及智慧水务系统行业将保持较高的增长速度，市场规模将不断扩大。国家政策的导向对于水务行业未来的发展具有重要的战略意义。
同时技术层面上，2017年国家工信部下发《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》要求三家运营商公司积极进行网络部署，并加快商用步伐。目前，中国电信已于2017年上半年实现全网商用部署，中国移动、中国联通也于2017年开启了商用化进程。湖南常德牌水表制造有限公司抢先布局，2017年先后和三大运营商签订了战略合作协议，加紧研发，快速将NB-IoT物联网水表系列产品推向市场。
2 市场前景
据产业研究院《中国智能水表行业趋势前瞻与投资分析报告》整理数据统计，当前我国智能水表渗透率约20%，年产销量1500万台，对应市场规模仅为50亿元。但是随着国家政策层面，“一户一表”、“四表集抄”、“阶梯水价”、“6年强制检定”以及“三供一业”的政策刺激，水务行业对智能水表的投入和需求越来越高；
近年来，我国智能水表的产量一直以接近20%的速度增长，随着新一代物联网的商用以及NB-IoT物联网智能水表的量产，将进一步推动我国智能水表的增长。《我国水表行业“十三五”发展规划纲要》指出，“十三五”期间智能水表(含智能应用系统)销售收入占全部水表销售比例要达到40%。伴随着政策向好，智能水表的市场规模也将稳步提升，预计未来增速将达到28%，到2020年智能水表的渗透率将接近45%，年出货量4500万台。
图1 2012-2020年智能水表渗透率预测
在“十三五”期间，我国推进了三个批次、共计277个智慧城市试点工作，并取得了较好效果。“十三五”期间，智慧城市建设市场规模将达到4万亿元。智能水表作为智慧城市建设中智慧水务建设的关键一环，将迎来巨大的市场需求空间。
随着我国智慧城市建设的不断深入推进以及物联网技术的不断发展，智能水表行业将稳步向前发展。据业内人士预测，我国当前约4.5亿家庭用户、按照40%-50%的物联网水表增长趋势，未来五年我国将新增智能水表超过1.5亿台，对应市场规模将达到400亿元，市场前景非常可观。
图2 2017-2025年智能水表市场规模预测
3 核心技术
智能水表的核心是物联网技术，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是物联网技术中一种基于蜂窝的窄带物联网的新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWA）。它支持海量连接、有深度覆盖能力、功耗低，这些与生俱来的优势让它非常适合于传感、计量、监控等物联网应用，适用于智能抄表（水、电、气）、智能停车、车辆跟踪、物流监控、智慧农林牧渔业以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社区等等领域。这些领域对广覆盖、低功耗、低成本的需求非常明确，目前广泛商用的2G/3G/4G及其他无线技术都无法满足这些挑战。
NB-IoT窄带物联网的优势有五点。
优势一：海量连接
NB-IoT比2G/3G/4G有50~100倍的上行容量提升，这也就意味着，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。举个简单的例子，某小区网络由一个基站覆盖，使用原有无线网络只能支持每个家庭中5个终端接入，可能4个手机、1个平板电脑就占满了，那么以后各种智能家电以及许许多多传感设备需要联网时就难以接入了。而NB-IoT至少提供50倍接入数量即250个终端接入，足以满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。
优势二：深度覆盖
NB-IoT比LTE提升20dB增益，相当于发射功率提升了100倍，即覆盖能力提升了100倍，就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到。利用这一优势，沃达丰的NB-IoT实验局正在开展地下车库指示的项目。传统地下车库内导航定位系统网络构建需要WiFi、蓝牙等局域无线技术的支持，这个导航指示网络也只限于本停车场使用。如果使用深度覆盖的NB-IoT网络，只需外挂定位模块即可，而且可以构建跨区域的停车指示和导航。
优势三：低成本
低速率低功耗低带宽带来的是低成本优势。速率低就不需要大缓存，所以可以缓存小、DSP配置低;低功耗，意味着RF设计要求低，小PA就能实现;因为低带宽，就不要复杂的均衡算法……这些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相关，尺寸越小，成本越低，模块的成本也随之变低。
优势四：超低功耗
低功耗特性是物联网应用一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备，它们不可能像智能手机一天一充电，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。在电池技术无法取得突破的前提下只能通过降低设备功耗以延长电池供电时间。
通信设备消耗的能量往往与数据量或速率相关，即单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。数据量小，设备的调制解调器和功放就可以调到非常小的水平。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小。另外，为了进一步降低功耗，延长电池使用时间，NB-IoT引入了超长DRX(非连续接收)省电技术和PSM省电态模式。NB-IoT可以让设备时时在线，但是通过减少不必要的信令和在PSM状态时不接受寻呼信息来达到省电目的。这样可以保障电池5年以上的使用寿命。
优势五：稳定可靠
NB-IoT直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，即可与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级，但是使用单独的180KHz频段，不占用现有网络的语音和数据带宽，保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行。以智能抄表应用为例，与采用有线PLC抄表数据回收成功率在60%左右相比，NB-IoT可以保证数据成功回收率达99%，可靠性大幅提高。
4 解决方案
4.1 NB-IoT物联网水表
湖南常德牌水表制造有限公司基于NB-IoT物联网技术于2017年推出了NB-IoT物联网水表，是基于NB-IoT物联网技术的一款全新的物联网水表。
该NB-IoT物联网水表无需集中器等中间采集设备，直接与NB-IoT基站进行TCP/IP或UDP/IP通信。远程集中抄表方案由NB-IoT物联网水表和系统主站组成，实现水量数据的集抄、传输、导出和存储，并对表具运行情况监控，具备水量统计分析、结算收费、远程阀控等功能，为管理部门实施阶梯收费提供准确、及时的水量信息数据。电子单元与基表分开的称为分体式结构，电子单元与基表结合在一起的称为整体式结构。
该NB-IoT物联网水表主要包含以下特点：
- 水表数据通过NB-IOT物联网专网传输，数据安全可靠；
- 采样电信IOT平台与电信 NB 网络进行有机协同，能够有效缓解拥塞，保障业务成功；
- 统一开发接口，可支持多厂家、多设备集成，便于后期维护；
- 水表采用机电分离结构设计，前期安装施工简单，后期维护、更换方便；
- 采用双霍尔传感器设计，可实现水表正反向计量，保证机电完全同步，没有累计误差；
- 内置大容量锂电池，电池使用寿命超过6年；
- 水表出厂预存6年模块通讯费用，无需担心欠费停机
- 开阀应急处理机制，水表欠费关阀后，可通过外部开关触发水表在48小时之内保持阀门开启状态；
- 水表监测到磁干扰、电池低压，主动上传异常报警到抄表平台，可实时监测。
图5 NB-IoT物联网水表构件图
该NB-IoT物联网水表技术参数如下：
5.2 基于IoT的物联网采集设备
湖南常德牌水表制造有限公司于2018年推出一款基于NB-IoT的物联网采集设备，该采集设备主要实现通过向下采集传统有线和短距离小无线智能水表数据，向上基于NB-IoT窄带物联网通信技术上报集采数据到服务器智慧水务采集系统，实现高效、稳定、远传数据采集。
该采集设备针对传统的TTL（Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路）无法实现远距离通信，易受到现场环境的干扰，使得数据在传输时容易出现错位，且需要提供电源线，RS485通讯同样需要电源线，不仅大大提高了施工成本，而且不易维护，故障率高，带载能力弱。解决了传统的M-Bus（symphonic mbus，远程抄表系统）技术两线制来进行数据通信的方式，存在电压不稳，带载能力弱等缺陷。
该基于NB-IoT物联网采集设备包括：主控模块，用于向通道选择模块发送控制指令，控制所述通道选择模块打开指定的通道，并通过打开的通道向对应的表端发送抄表指令，并向单电源调压器发送指示信号；所述单电源调压器，用于根据所述指示信号调制对应的电压，并将所述指示信号中的表端地址加载在调制的电压里通过所述打开的通道发送给表端，以使所述表端地址对应的表端响应所述抄表指示；单端比较解调模数转换模块，用于在所述表端响应所述抄表指示后，通过所述打开的通道接收所述表端的模拟信号，并将所述模拟信号处理成数字信号，将所述数字信号发送给所述主控模块；所述通道选择模块，包括多个分别连接到多个所述表端的通道。
图7 NB-IoT物联网采集终端抄表系统结构示意图
主控模块用于向通道选择模块发送控制指令，控制所述通道选择模块打开指定的通道，并通过打开的通道向对应的表端发送抄表指令，并向单电源调压器发送指示信号；
图8 物联网采集终端主控模块结构示意图
所述单电源调压器，与所述主控模块以及所述通道选择模块连接，用于根据所述指示信号调制对应的电压，并将所述指示信号中的表端地址加载在调制的电压里通过所述打开的通道发送给表端，以使所述表端地址对应的表端响应所述抄表指示；
图9 物联网采集终端单电源调压器结构示意图
单端比较解调模数转换模块，与所述主控模块以及所述通道选择模块连接，用于在所述表端响应所述抄表指示后，通过所述打开的通道接收所述表端的模拟信号，并将所述模拟信号处理成数字信号，将所述数字信号发送给所述主控模块；
图10 物联网采集终端单端比较解调模数转换模块结构示意图
所述通道选择模块，包括多个分别连接到多个所述表端的通道。
图11 物联网采集终端通道选择模块结构示意图
在一实施例中，所述单电源调压器包括：
三极管，用于接收所述主控模块发送的指示信号，并根据所述指示信号的变化导通或截止；
稳压单元，用于根据所述三极管的导通或截止，调制得到不同的电压。
在一实施例中，所述单端比较解调模数转换模块包括：
带通滤波单元，用于对所述表端的模拟信号中的干扰信号进行滤除，得到有效信号；
运算放大单元，与所述带通滤波单元连接，用于将所述有效信号进行放大，并将放大后的信号与设定信号进行电压的比较；
转换单元，与所述运算放大单元连接，用于根据比较结果进行转换，得到数字信号。
在一实施例中，所述通道选择模块的通道包括：
继电器，用于在接收到所述控制信号时打开，并基于所述控制信号中的表端地址打开对应的通道；还用于在未接收到控制信号时关闭，并关闭通道。
所述主控模块向所述通道选择模块发送控制指令，控制所述通道选择模块打开指定的通道，并通过打开的通道向对应的表端发送抄表指令，所述主控模块还向所述单电源调压器发送指示信号；
所述单电源调压器根据所述指示信号调制对应的电压，将所述指示信号中的表端地址加载在调制的电压里通过所述打开的通道发送给所述表端，以使所述表端地址对应的表端响应所述抄表指示；
所述单端比较解调模数转换模块在所述表端响应所述抄表指示后，通过所述打开的通道接收所述表端的模拟信号，将所述模拟信号处理成数字信号，并将所述数字信号发送给所述主控模块。
在一实施例中，所述单电源调压器根据所述指示信号调制对应的电压，包括：
所述三极管接收所述指示信号，根据所述指示信号导通或截止；
所述稳压单元根据所述三极管的导通或截止，调制得到不同的电压。
在一实施例中，所述单端比较调制模数转换模块将所述模拟信号处理成数字信号，包括：
所述带通滤波单元对所述表端的模拟信号中的干扰信号进行滤除，得到有效信号；
所述运算放大单元将所述有效信号进行放大，并将放大后的信号与设定信号进行电压的比较；
所述转换单元根据比较结果进行转换，得到数字信号。
在一实施例中，所述方法还包括：
所述继电器在接收到所述控制信号时打开，并基于所述控制信号中的表端地址打开对应的通道；在未接收到控制信号时关闭，并关闭通道。
从上面所述可以看出，本发明提供的抄表系统及抄表方法，具备电压输出可调，调压范围宽，稳定性能好，噪声低，纹波抑制比高，带载能力强等优点。采用单电源供电及多通道抄表技术，不仅优化了针对M-Bus抄表电路的结构，减少电子元器件的用量，降低产品的成本，仅在抄表时对下行表计供电，降低整体功耗，增加了现场环境的适应能力、抄表的带载能力。
6 应用场景
6.1 新建小区
新建小区采用NB-IoT物联网水表可以简单方便的解决抄表收费难问题，信号穿透力强，能有效解决复杂户型下的抄表问题，NB-IoT物联网阀控水表也能远程对欠费水表进行远程开关阀操作，解决收费难等问题。
图12 NB-IoT物联网水表新建小区安装示意图
使用对象：水务集团、新建小区楼盘
效益：安装简单、信号稳定、降低维护工作量、提高用水安全，解决收费难问题。
6.2 三供一业老城区改造
老旧小区通常存在许多安全隐患、入户抄表难。采用NB-IoT物联网水表进行改造部署，消除厨房、卫生间等对水表信号的阻隔和干扰，不需要再考虑抄表入户难得问题。NB-IoT
物联网阀控水表也能远程对欠费水表进行远程开关阀操作，同时也能及时得发现老旧管道得漏水、偷水等隐患。
图13 NB-IoT物联网水表老旧小区安装示意图
使用对象：自来水公司、物业公司
效益：安装简单、信号稳定、降低维护工作量、解决抄表入户难、收费难、偷水漏水问题。
6.2 农村用水及户表改造
农村地区的居民分布比较零散，居民离营业厅距离远、缴费难、偷水漏水难以及时发现。采用NB-IoT物联网水表，安装简单，信号稳定，居民用水可以足不出户即可网上、手机缴费，降低维护难度，节约成本。
图14 NB-IoT物联网水表农村用水安装示意图
使用对象：区县、农村自来水公司
效益：安装简单、信号稳定、降低维护工作量、解决收费难、偷水漏水问题。
7 结论
本文介绍了一种NB-IoT物联网水表及一种基于IoT物联网技术的采集终端设备，着重介绍了NB-IoT物联网水表及采集终端的技术参数、技术特点；特别针对基于IoT的物联网采集设备的架构设计、主控模块、单电源调压器、单端比较解调模数转换器等关键元器件的逻辑、电路板的设计开发以及产品在开发时对其可靠性、兼容性、稳定性、高性能等进行重点设计和关注。该NB-IoT物联网水表以及基于IoT的物联网采集终端的研发和推向市场解决了原来智能水表抄表成功率低、功耗高、网络覆盖范围小、水表负载量有限等问题，实现了真正的高效快速抄表、提高效率、降低成本、提升用户用水满意度。
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