张蓓
（重庆巨泰物联网集团有限公司，重庆，401120）
0 引言
在现代社会城市化建设不断发展的过程中，人们住宅逐渐朝着高层化、智能化的方向发展。为了使入户抄表难、工作量大的问题得到解决，供水公司在尝试各种全新智能化抄表技术。但是，此技术无法满足理想抄表的需求。在新技术NB-IoT 窄带物联网技术出现之后，促进了智能水表抄表技术的发展，此新型技术逐渐成为水表行业的重点[1]。智能水表建设为智慧城市建设主要环节，NBIOT 技术的智能抄表系统能够实现大数据话与智能化的管理。
1 窄带物联网NB-IoT 的特点
互联网络主要技术就是NB-IoT 技术，其根据电信运营商传统蜂窝网络创建，信道中使用SC-FDMA 通信调制方式，下行使用OFDMA 通信调制方式，信号发射功率为23dBm，能够升级现有电信网络，从而全面覆盖网络。信道占用带宽为200KHz，能够在GSM 网络、TLE 网络、UMTS 网络中部署，信道包括带内部署、独立部署、边带部署三种。网络连接具有较高的可靠性，比传统GPRS 覆盖能力要高20dB，单一基站能够接入五万个设备终端，最大覆盖范围为15km，并且实现全面室内覆盖连接。频段通过运营商网络授权，安全性比较高，维护和安装更加的方便[2]。全部低功耗物联网领域设备都能够在广域网蜂窝数据连接中接入，使用不需要中继星型网络模式，能够提高低功耗设备待机时间。由于具有庞大市场基础，并且芯片技术的成本比较低，所以能够降低成本。NB-IoT技术具有较高的安全性、可靠性与低功耗、低成本得到特点，能够使智能水表领域存在的抄表问题得到解决。
目前物联网在蓝牙中使用，但是数据准确性比较低，功耗比较大。物联网和广域网都能够使用纤维，但是只能够应用于带宽终端，比如摄像机等。小容量传感器虽然在4G 网络中使用，但是无法使低容量、低功耗的的需求得到满足。另外，成本比较低。物联网新时代逐渐来临，将云计算、大数据、物联网等技术作为基础，智慧化改造能够使城市智慧化管理水平得到提高，有效促进水务企业的管理[3]。
2 窄带物联网智能水表系统架构
为了能够进一步的提高NB-IoT 物联网水表终端电池使用的寿命，要利用PSM 模式进行节电，通过运营商实时、集中、远程抄读和控制。数据精准可观，还具备只能收费等服务、管理，使水务公司数据分析与用水管理更加的方便。图1 为NB-IoT 应用在智能水表中的方案结构，对多样化数据收集后利用终端在物联网云平台中上传，通过运营商网络在数据中心上传数据，结合综合应用层对数据进行处理和分析，将指令下发到智能终端，便于远程抄读与控制[4]。
图1 NB—IoT 应用在智能水表中的方案结构
■2.1 NB-IoT 智能水表系统架构
NB-IoT 智能水表系统主要包括通信基站、云平台、水表、管理软件、服务器构成，在住户家中安装智能水表，在水表运行过程中能够对临近通信基站进行搜索，之后在云平台中注册，云平台能够对设备中的数据与数据接收能力进行分析。水表数据利用基站在云平台中传输，并且还能够对云平台消息进行接收。客户端软件能够根据服务器通过云平台得到用水量数据，对居民涌水量进行监测，客户端软件也能够对居民用水量进行控制，为每位居民发送每个月用水量和扣费的情况[5]。
另外，将触发电路、外围配置通讯卡、外置存储模块、NB 模块、LCD 液晶显示器设置到微处理器外围中，实现表计功能。多类型传感电路能够收集各种类型的数据，包括瞬时流量、官网压力、终端电压，还能够配置采样精度。通过数据自纠错技术将数据传输到NB 通讯模组中，并且展示在LCD 液晶屏中实现人机交互。其次，指令通过NB 通讯模块下发，根据相应的顺序缓存微功耗处理器，并且实现MID帧识别序列的添加，与外围电路结合处理，对数据进行收集，或者对指定动作进行执行，匹配MID 序列码回传指令后，使上下行数据都能够有序处理与传输。智能水表终端利用NB-IoT网络和后台系统相互联动，实现智能抄表、智能计量、空中升级、存储等功能[6]。
■2.2 系统硬件设计
图2 为系统硬件设计总结构，STM32 主控制器利用引脚和模块相互连接，实现各模块协调与系统功能。显示模块能够显示NB-IoT 集中器环境中的电量、温湿度与时间参数等信号。BC95 模块能够使集中器和云平台进行通信，收集应用管理平台的数据。报警模块能够对智能水表是否出现漏水或者偷水的情况进行实时监测，如果出现漏水或者偷水，报警模块报警，并且将报警信号在管理平台中上传，方便维修和处理。存储模块能够存储水表数据信息，温湿度传感器能够检测集中器环境的温湿度，避免恶劣环境下对集中器造成损坏[7]。
图2 系统硬件设计总结构
2.2.1 STM32 主控制器模块
将STM32F103RCT6A 单片机作为主控芯片，通过电源电路、晶振电路、复位电路实现外部设置，创建最小工作系统，使集中器主控芯片能够正常运行。
2.2.2 采集系统
RS-485 通信协议智能水表实现系统的设计，将RS-485接口设置到集中器中，利用此接口和智能水表通信，对水表数据进行收集据。
2.2.3 BC95 模块
BC95 模块是一种高性能、低功耗的NB-IoT 无线通信模块，对比其他无线通信模块，主要特点为功耗低、大连接、覆盖强、成本低。系统使用BC95 模块和主控制器PA10、PA9 相互连接，从而对数据进行接收和发送[8]，图3为BC95 模块的通信电路。
图3 BC95 模块的通信电路
2.2.4 电源模块
电源模块供电电路通过LM2575 降压电源开源芯片，将12V 直流电压降低到3.3V、3.6V、5V，以此将额定工作电压提供到其他功能模块中。单片机对RS485 模块与BC96模块供电，从而降低系统在运行过程中的功耗。
■2.3 系统软件设计
2.3.1 无线抄表数据通信协议
数据协议能够保证数据通信过程中数据发送和接收方通畅，设计优化程度和系统智能化程度具有密切关系。在本文设计过程中，中继器、LoRa 模块和带GPRS 集中器创建水表抄表系统，为了保证各模块数据信号传输的精准性，要求系统服务器连接网关。通过应用层自定义实现方案设计，对公开传输数据进行打包与解析，表1 为交互帧格式信息。
表1 交互帧格式信息
节点通信帧是指在GW 中发送数据，将帧格式充足为节点通信帧，发送到服务器中。之后,GW 使帧格式充足成为loRa 格式后到节点中发送，网关通信能够使网关和服务器相互交互[9]。
2.3.2 采集节点设计
采集节点在网络中添加后，到传感器报文中发送，从而收集数据。在收集数据后接收传感器返回指令，在集中器接收模块中发送数据，等待确认消息。如果超过最大的等待时间，要重新发送数据。消息确认后收集完整数据，采集节点程序流程详见图4。
图4 采集节点程序的流程
2.3.3 集中器软件设计
注册网关服务器后，在服务器中发送连接信号，等待确认消息。如果连接信号没有被接收，那幺就要对连接信重新发送。在连接信号接收后，对各节点数据进行接收，将传输数据打包压缩。最后，通过GPRS 网络进行自动分配，在上位机中传输数据。
3 系统测试
实现完整软硬件系统的设计，并且对系统进行测试。在系统测试时通过应用管理平台实现数据下发，设置集中器的工作参数。集中器以设置参数工作，在工作参数对采集时间设置时，要能够集中自动唤醒，从而收集数据。在工作参数到上传时间时能够集中唤醒，使所收集的数据通过BC95 模块上传到云平台中。最后利用管理平台应用IP 与端口采取订阅方式提取云平台解析数据，在应用管理平台对收集的数据进行监视，图5 为集中器运行状态。另外，应用管理平台使收集的水表数据在数据库中存储，便于供水公司智能管理[10]。
图5 集中器运行状态
4 结束语
在科技不断发展的过程中，人们生活方式与习惯正在朝着高水平、智能化的方向发展。目前智能水表包括电缆自动抄表、智能卡式抄表、小型无线智能抄表，智能仪表使此技术有了进一步的发展，新技术已经成为水表行业关注的重点。目前，智能抄表系统实现智能大数据管理，本文对窄带物联网技术在智能抄表系统中的使用进行分析，对水表进行智能化管理，对行政与管理具有重要使用价值。
