楊陽(yáng) 曾璐

武警廣西總隊(duì) 廣西 南寧 530000

引言

在萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，窄帶物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)重要的分支，其構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)消耗的帶寬約為180KHC，能夠直接部署在GSM中，可以使部署成本降低，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。它屬于當(dāng)前電子通信領(lǐng)域中的一個(gè)新型技術(shù)，可以支持低耗設(shè)備連接廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)，所以也叫低耗廣域網(wǎng)。其聚焦于低功耗，在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)廣泛覆蓋，屬于全球均可廣泛應(yīng)用的技術(shù)，覆蓋范圍較廣、速度快、成本低、耗能低，架構(gòu)優(yōu)。其具有良好的應(yīng)用前景，相對(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，智慧醫(yī)療、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將產(chǎn)生連接，超過(guò)人與人之間的通訊需求，在智慧城市建設(shè)中應(yīng)用NB-IoT能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋面積廣，支持連接，且具有更低的功耗和模塊成本，預(yù)計(jì)企業(yè)單個(gè)連接模塊低于5美元[1]。為了滿足當(dāng)前新的時(shí)代背景的發(fā)展需求，有必要加強(qiáng)創(chuàng)新計(jì)量技術(shù)，使現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高，對(duì)檢定的手段進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。利用NB-IoT技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代化的通信技術(shù)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的水汽量傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)計(jì)量的數(shù)據(jù)化和數(shù)據(jù)的生活化，以NBIoT水氣熱物聯(lián)網(wǎng)傳感器全面替代水表、氣表、熱表，實(shí)現(xiàn)和云平臺(tái)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，并且對(duì)本地各種的中繼設(shè)備進(jìn)行拋棄，對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化，能夠有效地減少運(yùn)營(yíng)成本和安裝空間，促進(jìn)企業(yè)現(xiàn)代化水平的提高，同時(shí)增加企業(yè)的效益和管理水平。

國(guó)家電網(wǎng)中心推動(dòng)了“四表集抄”。例如，住建部對(duì)遠(yuǎn)傳抄表的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，電力聯(lián)合會(huì)也推出了一些有關(guān)電水氣熱能源管理的新的標(biāo)準(zhǔn)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的是通信技術(shù)以及通信協(xié)議、通信通道等內(nèi)容，對(duì)于電水氣熱等計(jì)量技術(shù)的提升卻比較忽視[2]。許多人將各種類型的通訊方式嫁接到傳統(tǒng)的計(jì)量商品上，然而在人們的視野中逐漸走進(jìn)了NB-IoT技術(shù)，這與其他技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于行業(yè)之前所做出的一切成果，似乎也沒(méi)有那么重要。在通信技術(shù)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)將重新成為計(jì)量技術(shù)創(chuàng)新。本文介紹了計(jì)量產(chǎn)品有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及檢定規(guī)程存在的問(wèn)題和解決方案。

1 傳統(tǒng)的水表、氣表及標(biāo)準(zhǔn)存在的不足之處和問(wèn)題

以往的電氣水表采用的都是機(jī)械原理，所以它能夠測(cè)量的范圍具有一定的限制性。例如水表，通常機(jī)械水表的測(cè)量范圍在50L/H到4000 L/H之間，誤差較小，但是存在的問(wèn)題是從限定的流量范圍沒(méi)有能夠確定的誤差。若用戶經(jīng)常使用該范圍內(nèi)的水量，水表無(wú)法對(duì)實(shí)際用水量進(jìn)行準(zhǔn)確的反應(yīng)，如果用戶在50L/H到64L/H的流量范圍內(nèi)用水誤差也比較大。即便是在2%誤差范圍以內(nèi)用水，由于供應(yīng)公司要求水表單位按照1.5%的誤差來(lái)提供產(chǎn)品，這樣會(huì)使公平交易的原則受到破壞，以往的水表采用的制造外殼結(jié)構(gòu)多是鑄銅和鑄鐵，在這些金屬的冶煉過(guò)程中會(huì)消耗大量的電量，同時(shí)也污染了環(huán)境，違反了國(guó)家節(jié)能減排的政策。不適合長(zhǎng)久發(fā)展。傳統(tǒng)的水表具有較大的安裝空間，且重量大、體積大，加上結(jié)構(gòu)性的因素造成其具有較差的抗冷凍能力，在寒冷地區(qū)使用會(huì)出現(xiàn)大面積凍裂的情況，受到低溫的影響，在皮膜式燃?xì)獗淼蜏貭顟B(tài)下，將降低皮膜的靈活性，對(duì)正常的計(jì)量產(chǎn)生影響。當(dāng)前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)只檢定了指定的幾個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其合理性還有待提升，由于使用者不會(huì)在指定范圍內(nèi)來(lái)進(jìn)行用水，用氣，而這幾個(gè)點(diǎn)都可以利用一些特殊的渠道來(lái)提升合格率，但用戶在實(shí)際生活中的用水和用氣量會(huì)感覺(jué)計(jì)量不準(zhǔn)。但技術(shù)監(jiān)督局測(cè)試又無(wú)法測(cè)出真實(shí)的結(jié)果。這樣的一種矛盾情況，主要是由于當(dāng)前的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定缺乏科學(xué)性和合理性，檢定規(guī)程不合理導(dǎo)致的，需要立即改革創(chuàng)新。技術(shù)工業(yè)公司要改變當(dāng)前的情況，對(duì)于造成的水電氣熱貿(mào)易不公平和不合理現(xiàn)象，要在體制上加以完善，促進(jìn)其改進(jìn)[3]。以往的水表和氣表的誤差比較大，且測(cè)量范圍較小，已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求。但隨著當(dāng)前電子計(jì)量技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械氣表和機(jī)械水表也將逐漸退出歷史舞臺(tái)。

2 管道供水、管道燃?xì)庥?jì)量電子化勢(shì)在必行

圖1 折射式超聲波無(wú)限水表內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)前我國(guó)的科學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)發(fā)展較快，在電子技術(shù)應(yīng)用在電能計(jì)量和水量計(jì)量等領(lǐng)域中，可以充分實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并為行業(yè)帶來(lái)新的活力。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波技術(shù)的應(yīng)用下，水量、氣量測(cè)量技術(shù)的測(cè)量范圍得到了顯著的提升，同時(shí)測(cè)量誤差也進(jìn)一步降低，是未來(lái)的管道供水供到燃?xì)鈩┝康囊环N新的方式，具有良好的應(yīng)用前景。但當(dāng)前的超聲波氣表主要采用的是折射超聲波技術(shù)，為了降低損壞，都會(huì)使用折射聲波技術(shù)。但這會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，比如說(shuō)信號(hào)衰減大，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸有較高的要求，且容易造成信號(hào)衰減，主要是由于折射聲波技術(shù)采用的是折射聲路，也就是上下-左右-下上的結(jié)構(gòu)。由于無(wú)法有效提升折射式結(jié)構(gòu)造成的水氣劑量指標(biāo)，所以要進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)新。這就出現(xiàn)了旁路對(duì)側(cè)超聲波計(jì)量技術(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，旁路對(duì)側(cè)超聲波計(jì)量技術(shù)的超聲波水量氣量測(cè)量范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，且計(jì)量的誤差更小，對(duì)射信號(hào)有著更大的強(qiáng)度和冗余量，在使用很多年之后，依然具有較高的分辨率和抗干擾能量，不會(huì)出現(xiàn)以上的問(wèn)題，如結(jié)構(gòu)信號(hào)衰弱。結(jié)構(gòu)等具有較高的精度，且安裝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。其技術(shù)特征是兩個(gè)換能器能夠相對(duì)放置，換能器的軸線與管道正常軸線相偏離。

圖2 旁路對(duì)射超聲波水、氣、熱計(jì)量結(jié)構(gòu)原理

在完成創(chuàng)新的同時(shí)，也要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)方案。盡快建成計(jì)量、控制、通訊等功能于一體的芯片集成。

結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新的方案，可以研制出氣量物聯(lián)網(wǎng)傳感器以及水量物聯(lián)傳感器。并將用戶的水表和氣表轉(zhuǎn)化成傳感器的方式。

3 水量傳感器和氣量傳感器的性能指標(biāo)和檢定方式

當(dāng)前，我國(guó)水氣表的國(guó)家相關(guān)鑒定流程和標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿足現(xiàn)有的電子式水表和氣表的制造和檢定，所以提出了一些新的標(biāo)準(zhǔn)及檢定方式。

3.1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和檢定方法

當(dāng)前現(xiàn)有的Q3和Q12個(gè)指標(biāo)標(biāo)志水表產(chǎn)品性能，且Q2除以Q1等于1.6，Q4除以Q3等于1.25，也就是Q1到Q2的誤差在5%左右，而不包括Q2。Q2到Q3的誤差在2%，也就是兩級(jí)誤差。氣表指標(biāo)和水表指標(biāo)比較相似，只是采用的表示符號(hào)為Qmax和Qmin以及Qte，誤差為1到1.5g左右。當(dāng)前的檢定規(guī)程除了以上的幾個(gè)點(diǎn)以外，還有一些輔助點(diǎn)，一般為七個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

3.2 對(duì)產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行創(chuàng)新

測(cè)量下限Qmin，始動(dòng)流量和測(cè)量下限具有相似性，水量測(cè)量為4L/H，燃?xì)鉃?L/H，測(cè)量上限QMaX最大通流量和測(cè)量上限相等，水量測(cè)量上限要低，大于5000 L/H，氣量測(cè)量上，現(xiàn)在4000L/H以上測(cè)量精度，水表水量全程一級(jí)精度，氣量為一級(jí)精度，防護(hù)等級(jí)IP68。安裝結(jié)構(gòu)有只管是水汽量，物聯(lián)網(wǎng)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)水表結(jié)構(gòu)以及130毫米標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)獗斫涌凇?/p>

3.3 產(chǎn)品的檢定方法

我們將采用隨機(jī)鑒定的方式來(lái)對(duì)產(chǎn)品的計(jì)量性能進(jìn)行檢定和驗(yàn)證，這樣可以避免現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)故點(diǎn)測(cè)試造成的不科學(xué)情況。電子式的計(jì)量產(chǎn)品，若根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行檢定方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行鑒定，那么很容易通過(guò)程序修正，對(duì)確定的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)修正后使其合格。自動(dòng)修正這樣產(chǎn)品很難不保證出現(xiàn)質(zhì)量部問(wèn)題。

首先是下限流量精度和上限流量精度，這兩個(gè)點(diǎn)是必須要測(cè)量的，用戶可以按照訂貨給出某個(gè)值，如4000L/H。

其次是隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，對(duì)計(jì)算機(jī)流水程序進(jìn)行編制，對(duì)下限流量點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)要設(shè)定上限流量點(diǎn)，程序以L/H的步長(zhǎng)進(jìn)行滾動(dòng)，從下線流量到上限流量，之后再?gòu)纳暇€流量到下線流量，從上到下，從下到上的進(jìn)行快速的滾動(dòng)。

第三是隨機(jī)抽檢，要想顯示被選中的流量點(diǎn)，需要按下隨機(jī)數(shù)發(fā)生器程序的空格鍵，比如2653L/H作為選中流量點(diǎn)，之后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合檢定機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)合格率，選取若干個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量是否符合一級(jí)或二級(jí)精度要求進(jìn)行測(cè)量，防止人為作弊情況的發(fā)生。

第四是對(duì)防護(hù)能力進(jìn)行鑒定，把產(chǎn)品放在水槽中，水的深度約為1.5m，48h之后將產(chǎn)品拿出，在水中設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)顯示正常，可以取出測(cè)試，說(shuō)明設(shè)備滿足相關(guān)的指標(biāo)要求。

第五是防凍測(cè)試。防凍測(cè)試主要采用金屬或PVC的長(zhǎng)管道進(jìn)行測(cè)試，長(zhǎng)度約為兩米左右，將長(zhǎng)管道分別連接水量傳感器的進(jìn)水端和出水端，并在管道中注滿水，將兩個(gè)開(kāi)口進(jìn)行封閉，盤(pán)旋管道，將管道放在零下十?dāng)z氏度的冷柜中，24h后拿出，觀察水量傳感器是否有爆裂的情況，若水量傳感器無(wú)異常情況，且沒(méi)有爆裂，控制器顯示正常，再將水量傳感器放在五攝氏度的環(huán)境溫度中解凍后進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)符合上述要求的相關(guān)指標(biāo)。

最后是電磁輻射測(cè)量，選擇場(chǎng)強(qiáng)移除了規(guī)定的無(wú)線信號(hào)以外，不應(yīng)收到其他的無(wú)線電輻射信號(hào)，且收到的無(wú)線電信號(hào)要滿足國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)相關(guān)規(guī)定指標(biāo)，除了能夠接收到國(guó)家相關(guān)規(guī)定的無(wú)線信號(hào)以外，不能收到其他的無(wú)線電輻射信號(hào)為通過(guò)電磁輻射測(cè)試。

4 NB-IoT點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊和建設(shè)第三方服務(wù)平臺(tái)

當(dāng)前，移動(dòng)、聯(lián)通、電信統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商相繼部署了NB-IoT基站。三大運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)應(yīng)用NB-IoT的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開(kāi)展得如火如荼，這為后續(xù)的各種應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，到時(shí)將會(huì)深度覆蓋NB-IoT。NB-IoT的成本較低，功耗較低且連接海量，優(yōu)勢(shì)普遍，將受到充分的推廣。跨越通信技術(shù)也會(huì)帶來(lái)物聯(lián)網(wǎng)傳感器推廣的技術(shù)革命，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，未來(lái)最主要的通信技術(shù)就包括NB-IoT技術(shù)，我們將實(shí)現(xiàn)GSM模式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，但是由于當(dāng)前3G退出網(wǎng)絡(luò)，而應(yīng)用NB-IoT技術(shù)將會(huì)為計(jì)量產(chǎn)品的創(chuàng)新迎來(lái)全新的選擇和機(jī)遇。因此，要想實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊，不需要涉足本地的終極，這可以大大降低運(yùn)營(yíng)成本和費(fèi)用。當(dāng)然，和移動(dòng)、電信、聯(lián)通緊密合作，對(duì)盈利模式進(jìn)行創(chuàng)新，也是在大家都可以使用NB-IoT下的重大研究熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)盈利模式進(jìn)行創(chuàng)新，而“四表應(yīng)用”是NB-IoT技術(shù)的最佳切入點(diǎn)。所有的行業(yè)都無(wú)法與本行業(yè)相提并論，主要是由于水電氣熱，公共事業(yè)屬于國(guó)計(jì)民生的公共行業(yè)，擁有龐大的用戶量，而應(yīng)用NB-IoT技術(shù)可以和水汽量物聯(lián)網(wǎng)傳感器互相綁定，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與云平臺(tái)通訊，能夠促進(jìn)日后第三方服務(wù)平臺(tái)的建立，并提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。要想全面覆蓋水氣熱行業(yè)，智能儀表還需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的一段時(shí)間，因此可以通過(guò)第三方服務(wù)平臺(tái)的建立，利用融資租賃的模式來(lái)破解這一問(wèn)題，這也是一個(gè)可以考慮的方向。

將NB-IoT水氣量物聯(lián)網(wǎng)傳感器和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)作為紐帶。面臨第三方服務(wù)改革和應(yīng)用NB-IoT的背景，建立物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，為公共事業(yè)、水電熱氣貿(mào)易引入第三方，通過(guò)合作來(lái)建立公平交易體系改革服務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水汽量物聯(lián)網(wǎng)傳感器創(chuàng)新技術(shù)和NB-IoT通信技術(shù)的完美結(jié)合，能夠使點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊問(wèn)題完美破解，還能夠促進(jìn)產(chǎn)品測(cè)量范圍及測(cè)量精度的提升，利用靈活的管道安裝方式，可以避免空間的占用，對(duì)NB-IoT信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行提升和優(yōu)化，減少運(yùn)營(yíng)成本，促進(jìn)產(chǎn)品可靠性的提高。通過(guò)建設(shè)第三方服務(wù)平臺(tái)，能夠?yàn)槲覈?guó)的供水、供電、供氣現(xiàn)代化提供發(fā)展思路，為相關(guān)的行業(yè)和公司及廣大用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，促進(jìn)我國(guó)公共事業(yè)電水氣熱貿(mào)易化現(xiàn)代服務(wù)的發(fā)展。