NB-IoT水气热物联网传感器应用研究

杨阳 曾璐

武警广西总队 广西 南宁 530000

引言

在万物互联网络中，窄带物联网是一个重要的分支，其构建于蜂窝网络消耗的带宽约为180KHC，能够直接部署在GSM中，可以使部署成本降低，实现平滑升级。它属于当前电子通信领域中的一个新型技术，可以支持低耗设备连接广域网的蜂窝数据，所以也叫低耗广域网。其聚焦于低功耗，在物联网市场广泛覆盖，属于全球均可广泛应用的技术，覆盖范围较广、速度快、成本低、耗能低，架构优。其具有良好的应用前景，相对于电信运营商来说，智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生连接，超过人与人之间的通讯需求，在智慧城市建设中应用NB-IoT能够实现覆盖面积广，支持连接，且具有更低的功耗和模块成本，预计企业单个连接模块低于5美元[1]。为了满足当前新的时代背景的发展需求，有必要加强创新计量技术，使现有的国家标准进一步提高，对检定的手段进行调整和改进。利用NB-IoT技术，结合现代化的通信技术，对于物联网的水汽量传感器进行设计。实现计量的数据化和数据的生活化，以NBIoT水气热物联网传感器全面替代水表、气表、热表，实现和云平台之间点对点的通信，并且对本地各种的中继设备进行抛弃，对通信协议进行简化，能够有效地减少运营成本和安装空间，促进企业现代化水平的提高，同时增加企业的效益和管理水平。

国家电网中心推动了“四表集抄”。例如，住建部对远传抄表的行业标准进行了修订，电力联合会也推出了一些有关电水气热能源管理的新的标准，人们越来越关注的是通信技术以及通信协议、通信通道等内容，对于电水气热等计量技术的提升却比较忽视[2]。许多人将各种类型的通讯方式嫁接到传统的计量商品上，然而在人们的视野中逐渐走进了NB-IoT技术，这与其他技术相比具有明显的优势。对于行业之前所做出的一切成果，似乎也没有那么重要。在通信技术行业的竞争将重新成为计量技术创新。本文介绍了计量产品有关标准及检定规程存在的问题和解决方案。

1 传统的水表、气表及标准存在的不足之处和问题

以往的电气水表采用的都是机械原理，所以它能够测量的范围具有一定的限制性。例如水表，通常机械水表的测量范围在50L/H到4000 L/H之间，误差较小，但是存在的问题是从限定的流量范围没有能够确定的误差。若用户经常使用该范围内的水量，水表无法对实际用水量进行准确的反应，如果用户在50L/H到64L/H的流量范围内用水误差也比较大。即便是在2%误差范围以内用水，由于供应公司要求水表单位按照1.5%的误差来提供产品，这样会使公平交易的原则受到破坏，以往的水表采用的制造外壳结构多是铸铜和铸铁，在这些金属的冶炼过程中会消耗大量的电量，同时也污染了环境，违反了国家节能减排的政策。不适合长久发展。传统的水表具有较大的安装空间，且重量大、体积大，加上结构性的因素造成其具有较差的抗冷冻能力，在寒冷地区使用会出现大面积冻裂的情况，受到低温的影响，在皮膜式燃气表低温状态下，将降低皮膜的灵活性，对正常的计量产生影响。当前国家标准只检定了指定的几个检测点，其合理性还有待提升，由于使用者不会在指定范围内来进行用水，用气，而这几个点都可以利用一些特殊的渠道来提升合格率，但用户在实际生活中的用水和用气量会感觉计量不准。但技术监督局测试又无法测出真实的结果。这样的一种矛盾情况，主要是由于当前的相关标准和规定缺乏科学性和合理性，检定规程不合理导致的，需要立即改革创新。技术工业公司要改变当前的情况，对于造成的水电气热贸易不公平和不合理现象，要在体制上加以完善，促进其改进[3]。以往的水表和气表的误差比较大，且测量范围较小，已经无法满足实际需求。但随着当前电子计量技术的不断发展，机械气表和机械水表也将逐渐退出历史舞台。

2 管道供水、管道燃气计量电子化势在必行

图1 折射式超声波无限水表内部结构

当前我国的科学技术、电子技术发展较快，在电子技术应用在电能计量和水量计量等领域中，可以充分实现电子技术的优势，并为行业带来新的活力。有相关研究发现，在超声波技术的应用下，水量、气量测量技术的测量范围得到了显著的提升，同时测量误差也进一步降低，是未来的管道供水供到燃气剂量的一种新的方式，具有良好的应用前景。但当前的超声波气表主要采用的是折射超声波技术，为了降低损坏，都会使用折射声波技术。但这会带来一系列的问题，比如说信号衰减大，对于结构尺寸有较高的要求，且容易造成信号衰减，主要是由于折射声波技术采用的是折射声路，也就是上下-左右-下上的结构。由于无法有效提升折射式结构造成的水气剂量指标，所以要进一步进行创新。这就出现了旁路对侧超声波计量技术。经实验发现，旁路对侧超声波计量技术的超声波水量气量测量范围进一步扩大，且计量的误差更小，对射信号有着更大的强度和冗余量，在使用很多年之后，依然具有较高的分辨率和抗干扰能量，不会出现以上的问题，如结构信号衰弱。结构等具有较高的精度，且安装过程相对简单。其技术特征是两个换能器能够相对放置，换能器的轴线与管道正常轴线相偏离。

图2 旁路对射超声波水、气、热计量结构原理

在完成创新的同时，也要创新设计方案。尽快建成计量、控制、通讯等功能于一体的芯片集成。

结合技术创新的方案，可以研制出气量物联网传感器以及水量物联传感器。并将用户的水表和气表转化成传感器的方式。

3 水量传感器和气量传感器的性能指标和检定方式

当前，我国水气表的国家相关鉴定流程和标准无法满足现有的电子式水表和气表的制造和检定，所以提出了一些新的标准及检定方式。

3.1 现行标准和检定方法

当前现有的Q3和Q12个指标标志水表产品性能，且Q2除以Q1等于1.6，Q4除以Q3等于1.25，也就是Q1到Q2的误差在5%左右，而不包括Q2。Q2到Q3的误差在2%，也就是两级误差。气表指标和水表指标比较相似，只是采用的表示符号为Qmax和Qmin以及Qte，误差为1到1.5g左右。当前的检定规程除了以上的几个点以外，还有一些辅助点，一般为七个检测点。

3.2 对产品指标进行创新

测量下限Qmin，始动流量和测量下限具有相似性，水量测量为4L/H，燃气为3L/H，测量上限QMaX最大通流量和测量上限相等，水量测量上限要低，大于5000 L/H，气量测量上，现在4000L/H以上测量精度，水表水量全程一级精度，气量为一级精度，防护等级IP68。安装结构有只管是水汽量，物联网传感器和标准水表结构以及130毫米标准的燃气表接口。

3.3 产品的检定方法

我们将采用随机鉴定的方式来对产品的计量性能进行检定和验证，这样可以避免现有标准故点测试造成的不科学情况。电子式的计量产品，若根据国家现行检定方法和相关标准来进行鉴定，那么很容易通过程序修正，对确定的检测点进行自动修正后使其合格。自动修正这样产品很难不保证出现质量部问题。

首先是下限流量精度和上限流量精度，这两个点是必须要测量的，用户可以按照订货给出某个值，如4000L/H。

其次是随机数发生器，对计算机流水程序进行编制，对下限流量点进行设定，同时要设定上限流量点，程序以L/H的步长进行滚动，从下线流量到上限流量，之后再从上线流量到下线流量，从上到下，从下到上的进行快速的滚动。

第三是随机抽检，要想显示被选中的流量点，需要按下随机数发生器程序的空格键，比如2653L/H作为选中流量点，之后进行测试，结合检定机构对产品的检测合格率，选取若干个测试点，对产品的质量是否符合一级或二级精度要求进行测量，防止人为作弊情况的发生。

第四是对防护能力进行鉴定，把产品放在水槽中，水的深度约为1.5m，48h之后将产品拿出，在水中设备的各项指标显示正常，可以取出测试，说明设备满足相关的指标要求。

第五是防冻测试。防冻测试主要采用金属或PVC的长管道进行测试，长度约为两米左右，将长管道分别连接水量传感器的进水端和出水端，并在管道中注满水，将两个开口进行封闭，盘旋管道，将管道放在零下十摄氏度的冷柜中，24h后拿出，观察水量传感器是否有爆裂的情况，若水量传感器无异常情况，且没有爆裂，控制器显示正常，再将水量传感器放在五摄氏度的环境温度中解冻后进行测试，应符合上述要求的相关指标。

最后是电磁辐射测量，选择场强移除了规定的无线信号以外，不应收到其他的无线电辐射信号，且收到的无线电信号要满足国家无线电管理委员会相关规定指标，除了能够接收到国家相关规定的无线信号以外，不能收到其他的无线电辐射信号为通过电磁辐射测试。

4 NB-IoT点对点通讯和建设第三方服务平台

当前，移动、联通、电信统运营商相继部署了NB-IoT基站。三大运营商平台应用NB-IoT的竞争已经开展得如火如荼，这为后续的各种应用打下了良好的基础，到时将会深度覆盖NB-IoT。NB-IoT的成本较低，功耗较低且连接海量，优势普遍，将受到充分的推广。跨越通信技术也会带来物联网传感器推广的技术革命，推动物联网技术在我国的发展。结合当前我国通信技术的发展现状，未来最主要的通信技术就包括NB-IoT技术，我们将实现GSM模式的点对点通讯，但是由于当前3G退出网络，而应用NB-IoT技术将会为计量产品的创新迎来全新的选择和机遇。因此，要想实现点对点的通讯，不需要涉足本地的终极，这可以大大降低运营成本和费用。当然，和移动、电信、联通紧密合作，对盈利模式进行创新，也是在大家都可以使用NB-IoT下的重大研究热点问题。对盈利模式进行创新，而“四表应用”是NB-IoT技术的最佳切入点。所有的行业都无法与本行业相提并论，主要是由于水电气热，公共事业属于国计民生的公共行业，拥有庞大的用户量，而应用NB-IoT技术可以和水汽量物联网传感器互相绑定，实现点对点与云平台通讯，能够促进日后第三方服务平台的建立，并提供了良好的技术基础。要想全面覆盖水气热行业，智能仪表还需要经历很长的一段时间，因此可以通过第三方服务平台的建立，利用融资租赁的模式来破解这一问题，这也是一个可以考虑的方向。

将NB-IoT水气量物联网传感器和大数据云平台作为纽带。面临第三方服务改革和应用NB-IoT的背景，建立物联网服务平台，为公共事业、水电热气贸易引入第三方，通过合作来建立公平交易体系改革服务。

5 结束语

综上所述，水汽量物联网传感器创新技术和NB-IoT通信技术的完美结合，能够使点对点的通讯问题完美破解，还能够促进产品测量范围及测量精度的提升，利用灵活的管道安装方式，可以避免空间的占用，对NB-IoT信号强度进行提升和优化，减少运营成本，促进产品可靠性的提高。通过建设第三方服务平台，能够为我国的供水、供电、供气现代化提供发展思路，为相关的行业和公司及广大用户提供优质的服务，促进我国公共事业电水气热贸易化现代服务的发展。