劉思晴，解迎剛，辛博倫，鄧棋文

（北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101）

0 引 言

我國是一個嚴重缺水的國家，雖然淡水資源總量高，但是人均只有2 200 立方米，在世界上排名121位，屬于全球人均水資源匱乏的國家。據(jù)統(tǒng)計，我國每年農(nóng)村大約有3.6億人喝的飲用水不符合標準，水資源已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展和長久治安的重大戰(zhàn)略問題。我國國土面積廣，跨度大，地區(qū)氣候差異大，導致水資源分布不均勻，基本情況是人多水少，南多北少，沿海多內(nèi)地少，山地多平原少，并且水資源開發(fā)難度很大。最有效的保護措施就是全民提高節(jié)約用水意識，從源頭控制用水量。

一直以來，我國供水行業(yè)存在很多管理痛點，首先，傳統(tǒng)機械水表依靠人工抄表，隨著人力成本的不斷上升，不僅大大增加了水務公司的成本，同時人工手動抄表也存在錯誤率高和結算周期長等缺點。其次，隨著國家、群眾資源保護意識的逐漸增強，愈加重視水資源節(jié)約問題，而傳統(tǒng)機械水表存在無法及時監(jiān)測用水量，更無法檢測漏水異常等一系列問題。

為解決這些問題，智能水表應運而生，逐步廣泛應用于人民生活之中。智能水表與傳統(tǒng)機械水表最大的區(qū)別就是通過移動通信網(wǎng)絡自動聯(lián)網(wǎng)抄表，不必人工抄表，而且這種遠程抄表相比人工抄表更準確，還可以設計配套的智能管理系統(tǒng)，方便水務公司集中化、可視化、自動化監(jiān)測居民用水，提升管理人員的工作效率。智能水表內(nèi)部集成了低功耗、多通道的嵌入式無線數(shù)字傳輸模塊，可通過無線信道傳送信息。水表能夠和云平臺、手機端APP等組成一個家庭用水監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠程抄表、繳費、實時監(jiān)測等功能。未來，隨著相關政策的逐步落實，及資源節(jié)約、建設智慧城市的迫切需求，智能水表將逐步取代機械水表，最終完成更換。

窄帶物聯(lián)網(wǎng) （Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）具有覆蓋廣、功耗低、通信效率高、價格低等優(yōu)勢，網(wǎng)絡覆蓋能力可達164 dB，可實現(xiàn)地下建筑數(shù)據(jù)通信。同時，NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡，信道帶寬180 kHz，可實現(xiàn)電表、水表等多個儀表的遠程數(shù)據(jù)讀取。本文基于NB-IoT智能水表的家庭用水智能監(jiān)控，解決當前傳統(tǒng)機械水表抄表成本高、勞動強度大、錯誤率高和易引起糾紛等問題。

1 系統(tǒng)架構

該智能監(jiān)控系統(tǒng)按照端、管、云架構設計，如圖1所示?；窘Y構分為終端層、網(wǎng)絡層、物聯(lián)網(wǎng)平臺、水務應用層等，其中，網(wǎng)絡層又分為物聯(lián)網(wǎng)基站和核心網(wǎng)。不同的層級之間通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術統(tǒng)一為一個有機的整體，保證智能監(jiān)控系統(tǒng)的構建和快速上線，基本符合水表“萬物互聯(lián)”的發(fā)展要求。

圖1 NB-IoT智能水表基本結構

（1）終端層：NB-IoT終端與NB-IoT基站連接，終端設備包括監(jiān)測傳感器、壓力表、流量計、智能水表、水質儀表等，主要安裝在用戶水表終端，以確保系統(tǒng)能夠正常運行。終端層采集用戶端水流量、水壓、水質等數(shù)據(jù)信息，并借助NB-IoT基站將數(shù)據(jù)信息上傳至云平臺。這款智能水表不是孤立的，實現(xiàn)了智能水表的互聯(lián)。

（2）網(wǎng)絡層：該層包括兩個部分：一是NB-IoT基站，連接智能水表終端，使終端無線接入系統(tǒng)，再通過NB-IoT基站接收終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。同時，與核心網(wǎng)絡相連，將數(shù)據(jù)及時上報到網(wǎng)關。目前，NB-IoT基站的構建形態(tài)大多是LTE基站。二是核心網(wǎng)，通過連接NB-IoT基站，利用傳輸?shù)南嚓P數(shù)據(jù)實現(xiàn)用戶終端簽約、認證等業(yè)務，然后再轉發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)平臺進行處理，實現(xiàn)終端信息的交互功能和處理功能。

（3）IoT平臺：NB-IoT平臺匯集從不同接入網(wǎng)中采集的業(yè)務數(shù)據(jù)，然后分析不同數(shù)據(jù)類型和需求，將數(shù)據(jù)發(fā)送至相符的應用服務器。平臺具有靈活高效的數(shù)據(jù)管理功能，包括對數(shù)據(jù)采集和轉發(fā)的連接管理，用于應用功能開發(fā)和水表終端數(shù)據(jù)分析，以及對用戶數(shù)據(jù)的收集、分類、調(diào)用分析等。同時，還可以查詢系統(tǒng)是否連接，實現(xiàn)對連接狀態(tài)的感知、控制和診斷。

（4）應用層：IoT應用層位于NB-IoT智能水表監(jiān)控系統(tǒng)的最頂層，是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的核心控制層，主要負責用戶需求的實現(xiàn)。根據(jù)不用用戶的需求對數(shù)據(jù)做分析和處理，開發(fā)出多種類型和功能的應用。通過連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以快速準確地獲得智能水表終端層設備上傳的數(shù)據(jù)信息，作為設備應用開發(fā)的數(shù)據(jù)基礎，實現(xiàn)對智能水表設備的統(tǒng)一管理。

2 NB-IoT智能水表工作過程

智能水表系統(tǒng)通常會嵌入一張SIM卡，主要實現(xiàn)水表的數(shù)據(jù)信息存儲和用戶身份識別功能。

運營商向SIM卡商提供移動用戶識別碼、鑒權算法、密鑰等必要信息，由卡商將這些信息寫入；運營商向水務部門或者水表公司出售SIM卡，將其嵌入智能水表中，水務公司向運營商提出SIM卡激活、上電、鑒權等要求，將其接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸和接收。

NB-IoT協(xié)議為了與數(shù)據(jù)的傳輸特性相適應，引入CP和UP兩種數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案。

（1）CP方案的特點在于并未采用數(shù)據(jù)無線承載的方式，主要通過NAS信令進行數(shù)據(jù)傳送，即將用戶數(shù)據(jù)嵌入控制面數(shù)據(jù)中發(fā)送，并通過MME對信令進行處理，之后傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺。當傳輸數(shù)據(jù)較少時，傳輸速度較快。

（2）UP方案與LTE系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式相似，但增加了RRC狀態(tài)，當數(shù)據(jù)傳輸請求到達時，自動建立相應的承載，可使用數(shù)據(jù)面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。如果沒有接收到數(shù)據(jù)傳輸請求，那么會臨時掛起前一次傳輸數(shù)據(jù)的用戶面，下一次傳輸時，可迅速恢復掛起用戶面連接。與移動網(wǎng)絡相比，UP方案適合發(fā)送頻次少，內(nèi)容多的數(shù)據(jù)，具有低功耗的特點。

3 NB-IoT智能水表優(yōu)勢

NB-IoT是新一代無線通信技術，功耗低，且NB-IoT運行頻率段采用許可頻率段，具有更強的穿透能力，覆蓋范圍更廣。在復雜環(huán)境下，可以保證業(yè)務數(shù)據(jù)有效可靠的傳輸。該系統(tǒng)大大改善了通信丟包率嚴重的現(xiàn)象。

NB-IoT在我國的發(fā)展前景非?？捎^，各大運營商紛紛開始建設NB-IoT，以窄帶物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源為基礎，進行全國性的推廣與發(fā)展。運營商應用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡系統(tǒng)，設置專用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)元與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡進行區(qū)隔，拒絕網(wǎng)絡供給，并對內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)進行隔離，防止外部攻擊，能夠有效控制智能水表終端的訪問權限，保證各級客戶端網(wǎng)絡安全穩(wěn)定的運行。

4 NB-IoT智能水表監(jiān)管系統(tǒng)特點

（1）遠程抄表。物聯(lián)網(wǎng)平臺可以展示家庭用水數(shù)據(jù)，并接入繳費系統(tǒng)，節(jié)省了人工上門收費耗費的人力，也減小了人工測量時產(chǎn)生的誤差，實現(xiàn)了遠程抄表。

（2）漏水監(jiān)測系統(tǒng)。該平臺能夠監(jiān)測水表和水管，一旦出現(xiàn)漏水和水管爆裂等現(xiàn)象，物聯(lián)網(wǎng)平臺可以發(fā)出異常警報，水務有關部門會根據(jù)平臺發(fā)出的異常及時通知該家用戶水管情況，減少損失。

（3）實時查詢。用戶可以自行上網(wǎng)查詢自家的用水情況，該平臺可直觀展現(xiàn)用戶家庭每時、每日、每月、每年的用水量，也可對這些數(shù)據(jù)進行圖形化分析，用戶可通過數(shù)據(jù)對比提高節(jié)水意識。同時，系統(tǒng)還會對突然上漲的用水量進行及時提醒，方便用戶檢查是否出現(xiàn)了水管漏水情況。

NB-IoT水表智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 NB-IoT水表智能監(jiān)控系統(tǒng)

5 結 語

系統(tǒng)以NB-IoT為核心，以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎架構，通過傳感器和芯片對水表和水管情況信息進行采集，再通過NB-IoT將所得數(shù)據(jù)上傳至服務器，實現(xiàn)智能水表的可視化、自動化運行。用戶可通過手機或電腦登錄云平臺實時查詢自家用水情況并及時在平臺繳費，節(jié)省了人力物力，提高了水務公司的工作效率。水務公司工作人員也可以根據(jù)該物聯(lián)網(wǎng)平臺對水表監(jiān)測異常所發(fā)出的報警及時通知用戶發(fā)生的異常情況，減少用戶損失。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對水表信息的監(jiān)測、收集、處理，打破了傳統(tǒng)水表的孤立性，與“萬物互聯(lián)”智能化趨勢相吻合，對智能水表技術升級有著促進作用。此外，本系統(tǒng)的云端可視化功能可以讓用戶和水務公司直觀看見用水情況，通過每個時段用水量的上下波動提醒人們節(jié)約用水，從而提高全民保護水資源的意識。基于NB-IoT智能水表的家庭用水智能監(jiān)控系統(tǒng)對于減少資源浪費具有十分重要的意義。