基于不同无线通信方式的智能水表比较研究

冼峰

[摘 要]随着无线通信技术的飞速发展，物联网的应用越来越广泛，水务行业采用的传统抄表方式已不能满足现代管理需求。智能水表具备抄表自动化、远程化、设备智能化等特点，能够有效提升抄表的准确性和及时性，同时也会带来计费方式的变化。基于此，本文对智能水表的无线通信方式进行比较研究，旨在为智能水表的选择、数据采集及管理打下基础。

[关键词]无线通信方式;智能水表;智能水表系统

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.04.037

[中图分类号]TH814.2[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2019）04-00-02

0     引 言

传统抄表方式效率低，发生人为错误的可能性高，且抄表人员必须到现场，而应用智能水表可有效解决这些问题。目前，公用事业企业均开始使用智能表计（智能水表、智能燃气表、智能电表等）。但智能表计的覆盖率存在差异，电力企业基本实现了智能表计全覆盖，水务企业的智能表计覆盖率还有很大的提升空间。

1     不同通信方式的智能水表系统比较

智能水表系统包括基表、采集器/中继器、集中器、上位机管理系统和传输网络。通信方式包括有线方式、GPRS、LoRa、NB-IoT等，其中LoRa、NB-IoT等通信方式正在试点阶段。不同通信方式智能水表系统组成如图1所示。本文从智能水表系统组成、采集模式、故障报警、集中器和备用方案等方面，对NB-IoT、LoRa、GPRS的通信方式进行比较。

1.1   NB-IoT通信方式

①智能水表系统组成。基表、光电转换模块、NB-IoT抄表模块、数据接收服务器。②采集模式。每天定时集中上报数据，NB-IoT抄表模块可保存1个月的数据。③故障报警。设备故障、电池不足时，会自动记录并上报。④集中器。不需要集中器，需要NB-IoT信号覆盖。⑤备用方案。NB-IoT抄表模块出现故障时需要更换，最近1个月的数据可通过工具读取上传;某块表NB-IoT信号不好时，通过加装天线来改善。⑥数据流量。每块表需要NB-IoT数据流量。

1.2   LoRa通信方式

①智能水表系统组成。基表、光電转换模块、LoRa抄表模块、LoRa集中器、手持抄表机、LoRa中继器和数据接收服务器。②采集模式。每天定时集中上报数据，集中器可保存1个月的数据，居民区环境下一个集中器可接入500个表计，覆盖半径约500 m。③故障报警。当设备故障、电池不足时，会自动记录并上报;集中器的配置和状态也会自动与服务器同步。④集中器。需要集中器，可通过GPRS/WIFI/RJ45上传数据，需要外部供电。⑤备用方案。当集中器出现故障，无法自动上报数据时，可采用手持抄表机人工抄报;LoRa抄表模块故障时需要更换设备，故障期间数据会丢失;某块表信号不好时，可通过集中器位置、增加中继器方式改善。⑥数据流量。集中器采用GPRS上报数据时需要数据流量。

1.3   GPRS通信方式

①智能水表系统组成。基表、光电转换模块、GPRS抄表模块、数据接收服务器。②采集模式。每天定时集中上报数据，GPRS抄表模块可保存1个月的数据。③故障报警。当设备故障、电池不足时，会自动记录并上报。④集中器。不需要集中器，需要GPRS信号覆盖。⑤备用方案。GPRS抄表模块故障时需要更换，最近1个月的数据可通过工具读取上传;某块表GPRS信号不好时，通过加装天线来改善。⑥数据流量。每块表需要GPRS数据流量。

2     基于不同无线通信方式的智能水表测试

本文搭建智能水表的无线通信测试平台，引入4家通信运营商和4家水表厂商配合测试，结合智能水表与通信基站的通信信号情况，选择有代表性的居民小区安装智能水表，对数据采集成功率、数据可靠性、网络信号强度等关键指标进行比较。

2.1   数据采集成功率

以15天为采集周期，以4组智能水表应采数据量、实际采集数据量为基准，计算数据采集成功率。数据采集成功率分析如表1所示。

LoRa的智能水表抄表数据先汇聚到水表厂商服务器，再汇聚到水务企业数据管理中心，通过关键数据（如日冻结累计流量）统计水表厂商和水务企业两端数据的一致性。

2.2   数据可靠性

从抄表数据中选取10天的日冻结累计流量（单位：L）进行数据可靠性分析，检查数据是否存在突变、溢出正常范围，以保证业务数据的可靠性。A组日冻结累计流量分析如图2所示。

从图2可以看出，20617090006221在7月27日、7月28日的数据增幅大，存在异常。

2.3   网络信号强度

网络信号强度综合分析将信号强度分为4个等级（强、较强、弱、较弱），4个分组分别获取连续15天的信号强度数据，根据4个等级进行分组统计分析。通过对比一定周期内的测试数据，基于NB-IoT的A组（CoAP协议）、B组（UDP协议）的智能水表在数据采集成功率、数据可靠性和网络信号强度等方面均优于基于LoRa的C组和D组，需要对测试数据进行更长周期的跟踪，并结合网络覆盖、硬件与通信费用成本，确定智能水表选择的最优方案。

3     应用前景及展望

随着水表基表技术、传感技术、无线通信技术、网络传输技术和电源技术的发展与成熟，以及水资源管理力度的加强和智能小区工程推进速度的加快，作为用水计量器具和数据远传管理工具的水表自动抄表系统，具有良好的应用前景和广阔的发展空间。因此，企业未来还需要建立完整的平台来支撑规模化的智能水表管理，包括表计检测、抄表数据采集及存储、抄表业务管理、表计设备运维管理、抄表数据增值服务等，平台的核心是基于云平台、支持高频、高并发的数据采集和存储，支持智能水表和上端抄表业务的闭环，并为智慧水务提供大量的基础数据。

主要参考文献

[1]王宗辉，张世豪，姚灵.智能水表技术及发展趋势[J].仪表技术，2014（6）.

[2]倪巍，刘弢.智能水表远程自动抄表系统的研究及应用[J].计量技术，2012（10）.