WM-Bus技术在物联网智能水表领域的应用

田亚雷

（深圳市爱思强科技有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

早期的智能水表采用的是有线通信方式，以M-Bus 智能水表为例，在我国的应用大致始于2010 年，并且主要用于新建楼盘，这是因为远程抄表系统需要进行大量的布线，而老旧小区的改造难度太大，正因如此，采用无线通信技术设计的智能水表进入人们的视野。无线通信在智能水表中的应用最早以短距离通信技术为主，但因为短距离通信的覆盖面较小，面对复杂的水表安装环境，其整体通信质量不佳[1]。

随着物联网技术的兴起，信息产业的第三次技术革命正在发生[2]。随后，GPRS、LoRa、NB-IoT 等技术先后出现在智能水表领域。

GPRS 作为主要的智能水表通信技术大致始于2013年，GPRS 采用的是授权频段，抗干扰能力强、信号安全性高、传输距离长，但信号的穿透性较差，覆盖不到较深位置的水表。同时，GPRS 通信能耗大，运营成本高，所以基于GPRS 的智能水表前景不好。

LoRa 技术是在2013 年由SEMTECH 公司推出的一款基于1 GHz 以下的超长距低功耗的数据传输技术。LoRa 采用线性扩频调制技术，不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送，也不会相互干扰，对通信深度衰落和多普勒频移具有更好的稳定性[3]。LoRa 网络主要由终端、网关、服务器和云4 个部分组成。在企业级LPWAN（Low-Power Wide-Area Network）项目中，较大的难题是LoRa 基站的部署，并且需要运营商的网络进行广域网传输。LoRa 基站的部署受现场施工条件的限制，如果现场没有电源供电或者没有运营商网络接入，都会导致网络建设的成本增加、施工困难、维护不易等问题发生。在产品设计方面，LoRa 只负责PHY（物理层）和MAC 层的协议定义，LoRa 芯片只支持射频功能，另外需要额外增加一颗芯片来实现LoRa 协议，因此，终端开发的硬件和软件的投入成本都会很大。

NB-IoT 技术成熟于2016 年，其是基于低速广域物联网而设计的，不再受限于3G、4G 等公共通信网络，仅借鉴了4G 设计的部分参数。NB-IoT 技术可以较好地满足大多数物联网设备的需求，采用半双工模式，信令处理简单。NB-IoT 智能水表系统的组成主要有 5 个部分，即水表（NB-IoT 通信模组的）、通信基站、服务器、云平台和管理软件[4]。基站的部署，服务器云平台的搭建，往往会增加大量的成本，在电池供电的应用场合，NB-IoT 能耗偏高，智能水表的使用寿命往往很难达到预期的要求。

如今低成本低功耗的物联网设备已成为产业发展的趋势，在这样的背景下，WM-Bus 技术的研发得以实现，该技术可以较好地满足物联网设备的需求，随着WM-Bus 技术标准的不断完善，基于WM-Bus 的实际应用将会更广。

1 WM-Bus的关键技术

1.1 物理层

物理层支持的频谱有169 MHz、433 MHz 和868 MHz，数据信息的上行和下行均需要用到调制调解器如FSK、GFSK、4GFSK。在载波应用方面，主要采用了曼彻斯特编码、NRZ（Non-Return-to-Zero Code）编码和6 选3 的编码方式，在低速率方面有很大优势。

1.2 链路层

链路层主要有2 种数据格式，即格式A 和格式B，可以通过检测同步码和同步码序列来判断具体格式。格式A和格式B 主要由3 个部分组成，分别是First block、Second block 和Optional block。First block 包含了终端设备必要的控制信息和地址信息，Second block 和Optional block 为用户的私有数据。

1.3 应用层

应用层主要用来区分不同的设备和实际的业务数据，WM-Bus 协议栈可以应用在水表、电表、气表、热表以及各种传感器上，并通过Device Type 域来区分不同的设备。

1.4 组网

WM-Bus 只支持主从模式，因此在组网上只支持星型网络。从模块一般为终端，也可以是不同行业具备物联网功能的设备。主模块一般为中心节点，主要控制终端设备、接收终端设备的数据，并进行数据分析。

1.5 工作模式

WM-Bus 支持的模式有T、S、C、R2、N、P、Q 和F等模式，其中T、S、C 是应用最广的模式，每种模式与物理层以及链路层协同工作。以T 模式为例，T 模式分为2 种模式，即T1 和T2 ，T1 是单向通信模式，只有上行通信，当终端向中心节点上报一组数据后，立刻进入休眠。T2 为双向通信，即上行和下行，当终端向中心节点上报一组数据后，进入短暂的接收模式，超时之后立即进入低功耗模式。

2 WM-Bus在智能水表中的应用

2.1 WM-Bus智能水表的实现

WM-Bus 协议栈支持多种工作模式，为了可以使终端设备快速上市，可根据实际的市场需求实现其中的一种工作模式即可。如T 模式，终端设备长期工作在T1 模式，当需要对终端进行控制时，终端切换到T2 模式。中心节点长期工作在T2 模式，实时对终端设备数据进行采集和处理，WM-Bus 智能水表的实际应用框架如图1 所示。

图1 智能水表的应用框架

2.2 WM-Bus智能水表的优势

2.2.1 成本低

WM-Bus 协议栈在欧洲国家的应用很广，是OMS （Open Metering System）推荐的一种远程抄表协议，其工作在免费的频段，无须运营商的支持，因此可以节省大量的授权费用。在硬件的设计上，目前很多国际芯片厂商（如TI、SILICON LABS）为WM-Bus 协议栈提供了底层支持，开发容易，缩短了终端设备的上市时间。在有电池供电的场合下，终端设备一般采用T1 模式周期性上报数据，适合walk-by 或drive-by 的抄表方式，只需要增加少量的中心节点即可满足要求。

2.2.2 功耗低

终端设备使用年限长，一般采用T1 模式，其中射频通信是最主要的能耗部分。能耗的直接表现是消耗的电流大小。根据公式（1）可以计算在一个周期内终端设备消耗的平均电流，公式（2）可以计算出终端的理论使用寿命。

式中：Iv表示在一个周期内终端消耗的平均电流，Qr表示在一个周期内RF（Radio Frequency）通信消耗的能量，Qs表示一个周期内终端在低功耗模式下消耗的能量，Qa表示在一个周期内数据采集消耗的能量，Qb为供电电池的总容量，单位是毫安秒（mAs）。t 表示一个RF 通信周期，r 为电池容量的有效百分比，Y 表示终端的使用寿命。

表1 中的数据基于TI 的CC1310 平台，水表为1L/P 类型的水表（1L/P 在这里表示水表每计量1 L 的水，机械转盘旋转一圈，产生一个脉冲信号），电池容量Qb为3 500 mAh ，r = 0.5，即电池的有效容量是标称容量的1/2，通过大量的测量，可得表1 的试验数据。

表1 试验数据

由表1 可知，在一定条件下，终端设备的使用寿命与RF 通信的周期呈现相关关系，RF 通信周期越长，终端的使用寿命越长，反之，终端设备的使用寿命越短。

3 结语

随着智慧城市建设的加速推进，智能水表的应用将是水务管理发展的必然需求。智能水表的发展经历了从有线通信方式，再到GPRS、LoRa、NB-IoT、WM-Bus 等无线通信技术的过程，每种技术都有自己的特色和适用场景。该文只从终端设备的成本和使用寿命角度进行了研究，没有考虑其他因素的影响，在未来的研究中，可以综合其他方面的因素深入研究物联网技术在智能水表中应用。