基于NB-IoT智能水表的家庭用水智能监控系统

摘 要 ：针对当前传统机械水表抄表效率低、误差大、范围小等问题，设计了基于 NB-IoT 智能水表的家庭用水智能监控系统。系统基于 NB-IoT 无线传输模块实现智能抄表、监控用水量，另外设置报警系统，可实时监测用户用水的异常情况，方便用户节水并及时处理漏水问题。基于 NB-IoT 的智能水表是物联网技术的应用之一，随着物联网产业的崛起，智能水表终会取代机械水表，逐步实现智慧城市用水监测的自动化和智能化。

0 引 言

我国是一个严重缺水的国家，虽然淡水资源总量高，但是人均只有2200立方米，在世界上排名121位，属于全球人均水资源匮乏的国家。据统计，我国每年农村大约有3.6亿人喝的饮用水不符合标准，水资源已经成为我国可持续发展和长久治安的重大战略问题。我国国土面积广，跨度大，地区气候差异大，导致水资源分布不均匀，基本情况是人多水少，南多北少，沿海多内地少，山地多平原少，并且水资源开发难度很大。最有效的保护措施就是全民提高节约用水意识，从源头控制用水量 [1]。

一直以来，我国供水行业存在很多管理痛点，首先，传统机械水表依靠人工抄表，随着人力成本的不断上升，不仅大大增加了水务公司的成本，同时人工手动抄表也存在错误率高和结算周期长等缺点。其次，随着国家、群众资源保护意识的逐渐增强，愈加重视水资源节约问题，而传统机械水表存在无法及时监测用水量，更无法检测漏水异常等一系列问题 [2]。

为解决这些问题，智能水表应运而生，逐步广泛应用于人民生活之中。智能水表与传统机械水表最大的区别就是通过移动通信网络自动联网抄表，不必人工抄表，而且这种远程抄表相比人工抄表更准确，还可以设计配套的智能管理系统，方便水务公司集中化、可视化、自动化监测居民用水，提升管理人员的工作效率。智能水表内部集成了低功耗、多通道的嵌入式无线数字传输模块，可通过无线信道传送信息。水表能够和云平台、手机端APP等组成一个家庭用水监控系统，从而实现远程抄表、缴费、实时监测等功能。未来，随着相关政策的逐步落实，及资源节约、建设智慧城市的迫切需求，智能水表将逐步取代机械水表，最终完成更换[3]。窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)具有覆盖广、功耗低、通信效率高、价格低等优势，网络覆盖能力可达 164 dB，可实现地下建筑数据通信。同时，NB-IoT基于蜂窝网络，信道带宽180 kHz，可实现电表、水表等多个仪表的远程数据读取。本文基于NB-IoT智能水表的家庭用水智能监控，解决当前传统机械水表抄表成本高、劳动强度大、错误率高和易引起纠纷等问题 [4]。

1 系统架构
该智能监控系统按照端、管、云架构设计，如图1所示。基本结构分为终端层、网络层、物联网平台、水务应用层等，其中，网络层又分为物联网基站和核心网。不同的层级之间通过物联网、云计算、大数据等技术统一为一个有机的整体，保证智能监控系统的构建和快速上线，基本符合水表“万物互联”的发展要求 [5]。

（1）终端层 ：NB-IoT终端与NB-IoT基站连接，终端设备包括监测传感器、压力表、流量计、智能水表、水质仪表等，主要安装在用户水表终端，以确保系统能够正常运行。终端层采集用户端水流量、水压、水质等数据信息，并借助NB-IoT基站将数据信息上传至云平台。这款智能水表不是孤立的，实现了智能水表的互联。
（2）网络层 ：该层包括两个部分 ：一是NB-IoT基站，连接智能水表终端，使终端无线接入系统，再通过NB-IoT基站接收终端传输的数据信息。同时，与核心网络相连，将数据及时上报到网关。目前，NB-IoT基站的构建形态大多是LTE 基站。二是核心网，通过连接NB-IoT基站，利用传输的相关数据实现用户终端签约、认证等业务，然后再转发至物联网平台进行处理，实现终端信息的交互功能和处理功能。
（3）IoT平台 ：NB-IoT平台汇集从不同接入网中采集的业务数据，然后分析不同数据类型和需求，将数据发送至相符的应用服务器。平台具有灵活高效的数据管理功能，包括对数据采集和转发的连接管理，用于应用功能开发和水表终端数据分析，以及对用户数据的收集、分类、调用分析等。同时，还可以查询系统是否连接，实现对连接状态的感知、控制和诊断。
（4）应用层 ：IoT应用层位于NB-IoT智能水表监控系统的最顶层，是物联网业务的核心控制层，主要负责用户需求的实现。根据不用用户的需求对数据做分析和处理，开发出多种类型和功能的应用。通过连接物联网平台，可以快速准确地获得智能水表终端层设备上传的数据信息，作为设备应用开发的数据基础，实现对智能水表设备的统一管理。
2 NB-IoT 智能水表工作过程

智能水表系统通常会嵌入一张SIM 卡，主要实现水表的数据信息存储和用户身份识别功能。运营商向SIM卡商提供移动用户识别码、鉴权算法、密钥等必要信息，由卡商将这些信息写入；运营商向水务部门或者水表公司出售SIM卡，将其嵌入智能水表中，水务公司向运营商提出SIM卡激活、上电、鉴权等要求，将其接入网络，实现数据信息的传输和接收。NB-IoT协议为了与数据的传输特性相适应，引入CP 和UP 两种数据传输优化方案。

（1）CP方案的特点在于并未采用数据无线承载的方式，主要通过NAS信令进行数据传送，即将用户数据嵌入控制面数据中发送，并通过MME对信令进行处理，之后传输到物联网平台。当传输数据较少时，传输速度较快。

（2）UP方案与LTE系统数据传输模式相似，但增加了RRC状态，当数据传输请求到达时，自动建立相应的承载，可使用数据面实现数据的传输。如果没有接收到数据传输请求，那么会临时挂起前一次传输数据的用户面，下一次传输时，可迅速恢复挂起用户面连接。与移动网络相比，UP方案适合发送频次少，内容多的数据，具有低功耗的特点。

3 NB-IoT 智能水表优势

NB-IoT是新一代无线通信技术，功耗低，且NB-IoT运行频率段采用许可频率段，具有更强的穿透能力，覆盖范围更广。在复杂环境下，可以保证业务数据有效可靠的传输。该系统大大改善了通信丢包率严重的现象 [6]。

NB-IoT在我国的发展前景非常可观，各大运营商纷纷开始建设NB-IoT，以窄带物联网现有的网络资源为基础，进行全国性的推广与发展。运营商应用现有的物联网专用网络系统，设置专用的物联网网元与传统的网络进行区隔，拒绝网络供给，并对内网和外网进行隔离，防止外部攻击，能够有效控制智能水表终端的访问权限，保证各级客户端网络安全稳定的运行 [7]。

4 NB-IoT 智能水表监管系统特点

（1）远程抄表。物联网平台可以展示家庭用水数据，并接入缴费系统，节省了人工上门收费耗费的人力，也减小了人工测量时产生的误差，实现了远程抄表。

（2）漏水监测系统。该平台能够监测水表和水管，一旦出现漏水和水管爆裂等现象，物联网平台可以发出异常警报，水务有关部门会根据平台发出的异常及时通知该家用户水管情况，减少损失。

（3）实时查询。用户可以自行上网查询自家的用水情况，该平台可直观展现用户家庭每时、每日、每月、每年的用水量，也可对这些数据进行图形化分析，用户可通过数据对比提高节水意识。同时，系统还会对突然上涨的用水量进行及时提醒，方便用户检查是否出现了水管漏水情况。NB-IoT水表智能监控系统如图2所示。

5 结 语

系统以 NB-IoT 为核心，以物联网技术为基础架构，通过传感器和芯片对水表和水管情况信息进行采集，再通过NB-IoT 将所得数据上传至服务器，实现智能水表的可视化、自动化运行。用户可通过手机或电脑登录云平台实时查询自家用水情况并及时在平台缴费，节省了人力物力，提高了水务公司的工作效率。水务公司工作人员也可以根据该物联网平台对水表监测异常所发出的报警及时通知用户发生的异常情况，减少用户损失。本系统实现了对水表信息的监测、收集、处理，打破了传统水表的孤立性，与“万物互联”智能化趋势相吻合，对智能水表技术升级有着促进作用。此外，本系统的云端可视化功能可以让用户和水务公司直观看见用水情况，通过每个时段用水量的上下波动提醒人们节约用水，从而提高全民保护水资源的意识。基于 NB-IoT 智能水表的家庭用水智能监控系统对于减少资源浪费具有十分重要的意义 [8-10]。

审核编辑 ：李倩