陳海華,王 洋,柴華芳,毛德興,陳富光
(寧波水表(集團(tuán))股份有限公司,浙江 寧波 315032)
水表的發(fā)展是技術(shù)長(zhǎng)期演進(jìn),不斷完善的過(guò)程。由于社會(huì)進(jìn)步和人們生活水平的提升,傳統(tǒng)機(jī)械水表已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的用水計(jì)量多樣性的需求,并且傳統(tǒng)機(jī)械水表存在需要耗費(fèi)大量人力手動(dòng)抄表,人工成本高,無(wú)法監(jiān)控用水情況等缺點(diǎn),因而機(jī)械水表逐步發(fā)展到帶電子裝置的機(jī)械水表,再到仍在不斷迭代的電子水表。
水表產(chǎn)品已不僅是單一的用戶(hù)用水計(jì)量?jī)x器,而是在計(jì)量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)功能上,附加了對(duì)水務(wù)信息感知和采集的功能,在水計(jì)量?jī)x器的基礎(chǔ)上更成為了供水管網(wǎng)中不可或缺的一環(huán)[1]。智能水表可自動(dòng)抄表,具有提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,減少人力抄表造成的資源浪費(fèi)并提升工作效率,周期自動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)等顯著優(yōu)勢(shì)。目前基于NB-IoT 的智能水表被廣泛使用,實(shí)現(xiàn)了便捷抄表,采集各種數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程控制閥門(mén)等功能,但其局限性在于覆蓋還主要集中在城市,信號(hào)還不夠穩(wěn)定及只能傳輸少量數(shù)據(jù)等。因此,針對(duì)以上不足,提出了基于CAT.1 的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表的設(shè)計(jì)方法。與NBIoT 網(wǎng)絡(luò)相比,CAT.1 無(wú)論是在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,還是在數(shù)據(jù)傳輸速度和低延遲方面均有明顯優(yōu)勢(shì),其不僅可以傳輸更大的數(shù)據(jù),而且在4G 覆蓋的區(qū)域均可應(yīng)用。
隨著無(wú)線遠(yuǎn)傳技術(shù)的不斷發(fā)展,水表被賦予了更多的意義,對(duì)用戶(hù)用水量的記錄成為水表的一項(xiàng)基本功能,而對(duì)用戶(hù)水務(wù)信息的采集和管理成為一項(xiàng)重要進(jìn)階功能,比如漏損的監(jiān)控與報(bào)警,對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理等。無(wú)線遠(yuǎn)傳水表中最重要的部分之一即為數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)傳輸方式從有線傳輸發(fā)展到如今的無(wú)線遠(yuǎn)傳,逐漸解決了有線傳輸建設(shè)費(fèi)用高昂,發(fā)生問(wèn)題時(shí)很難找到故障點(diǎn),新增終端設(shè)備時(shí)需要對(duì)線路進(jìn)行重新規(guī)劃并布線,浪費(fèi)大量人力和物力的缺點(diǎn)[2]。無(wú)線傳輸水表的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展經(jīng)歷了從GFSK、GPRS、LoRa 等,再到近年被廣泛使用的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。近年應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)傳輸方式及特點(diǎn)見(jiàn)表1。
表1 數(shù)據(jù)傳輸方式對(duì)比Table 1 Comparison of data transmission methods
NB-IoT 作為物聯(lián)網(wǎng)中低速傳輸場(chǎng)景被廣泛應(yīng)用的技術(shù),相較其它幾種傳輸方式具有組建方便,部署靈活的優(yōu)勢(shì),有良好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性,傳輸速率可支持120kbps以上,完美適配低速率傳輸?shù)氖袌?chǎng)需求。其具有海量連接的特性,NB-IoT 可保證在同一個(gè)基站的前提條件下,接入數(shù)量是上述無(wú)線傳輸方式的50 ~100 倍。同時(shí),NBIoT 網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域范圍廣、覆蓋能力強(qiáng),目前在全國(guó)的重點(diǎn)城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以上地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋。不僅是為地上的建筑設(shè)置物聯(lián)設(shè)備終端接入提供強(qiáng)有力的保障,更能為地面以下的建筑數(shù)據(jù)傳輸提供可靠保障[3]。NB-IoT 具有兩種節(jié)電模式,即PSM 與eDRX,符合其低功耗的特性,適用于供電方式為鋰電池且數(shù)據(jù)傳輸頻次中等的環(huán)境,如水表、燃?xì)獗怼Ⅻc(diǎn)表等抄表業(yè)務(wù)類(lèi)型,此類(lèi)場(chǎng)景中數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l次一般為一天一次至幾天一次[4]。基于NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的智能水表憑借其鏈接能力、覆蓋范圍、芯片成本等優(yōu)勢(shì),逐漸占領(lǐng)了傳統(tǒng)機(jī)械水表的市場(chǎng)。
然而,目前應(yīng)用廣泛的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)并不是完美的。它的局限性在于:其低功耗特性致使每次只能傳輸少量數(shù)據(jù);除通信模塊外還要支付運(yùn)營(yíng)商收取的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用;相當(dāng)一部分區(qū)域的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)載2G、3G 加速退網(wǎng)的遷移需求;NB-IoT 僅適用于低速率傳輸?shù)膱?chǎng)景,面對(duì)需要中速率傳輸?shù)膱?chǎng)景無(wú)能為力,只適用于傳送少量數(shù)據(jù)并且處于固定狀態(tài)的情況等。因此,基于以上問(wèn)題,提出了將CAT.X 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于無(wú)線遠(yuǎn)傳智能水表這一設(shè)計(jì)構(gòu)想,CAT.X 比NB-IoT 在通信能力和網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面有明顯的優(yōu)勢(shì),可有效解決NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題。
CAT.X 是4G 通信LTE 網(wǎng)絡(luò)下用戶(hù)終端類(lèi)別的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)定義,該標(biāo)準(zhǔn)共分為10 個(gè)等級(jí),CAT.1 作為匹配中低速率數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景的最低參數(shù)配置,適用對(duì)低成本有需求的4G 終端設(shè)備。
目前,4G 網(wǎng)絡(luò)基本完成全國(guó)覆蓋且全面支持LTE CAT.1、CAT.4 終端。CAT.1、CAT.4 通信速率優(yōu)勢(shì)明顯,其具有速度快,大幅度壓縮通信時(shí)延,通信能力相對(duì)較強(qiáng)的特性,在中、高速無(wú)線通信領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用,可對(duì)現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫接入,不需要對(duì)基站的軟硬件進(jìn)行升級(jí)。CAT.1 擁有與CAT.4 相同的毫秒級(jí)傳輸時(shí)延,以及支持100km/h 以上的移動(dòng)速度。但與CAT.4 相比,CAT.1 具有一定的優(yōu)勢(shì)。就模組成本而言,CAT.1 進(jìn)行優(yōu)化整合,集成程度高,芯片硬件設(shè)計(jì)構(gòu)成并不復(fù)雜,相關(guān)硬件成本不高,相比CAT.4 的成本要低30%;就功耗而言,終端側(cè)的芯片復(fù)雜度降低,能夠有效降低功耗,CAT.1 模組在空閑模式下和工作模式下,功耗均比CAT.4 降低了50%。LTE CAT.1 具有集合性能優(yōu)越、功耗低、成本下降等優(yōu)勢(shì),較好適配于中低速傳輸場(chǎng)景,同時(shí)適于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率和穩(wěn)定性有需求的物聯(lián)網(wǎng)終端。
CAT.1 因其集合了傳輸速率中等、延時(shí)低、覆蓋范圍廣、較低成本等特性而占領(lǐng)了三分之一市場(chǎng)。和傳統(tǒng)CAT.4 模組相比,CAT.1 具備低成本和低功耗的優(yōu)勢(shì)。它擁有與LTE CAT.4 相同的毫秒級(jí)傳輸時(shí)延,支持100km/h 以上的移動(dòng)速度。借助已成熟的4G 產(chǎn)業(yè)鏈,CAT.1 作為低配版4G,價(jià)格已經(jīng)和CAT.4 拉開(kāi)了差距,具有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢(shì)。通信技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 通信技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of communication technology characteristics
1)當(dāng)設(shè)備遇到故障時(shí),根據(jù)故障類(lèi)型可及時(shí)或在下一次上報(bào)時(shí)向系統(tǒng)上報(bào)故障信息。報(bào)警類(lèi)型含:過(guò)流量報(bào)警、模塊分離報(bào)警、磁干擾報(bào)警、逆流報(bào)警、過(guò)流報(bào)警等,根據(jù)緊要特殊情況可以設(shè)置成實(shí)時(shí)報(bào)警。
2)實(shí)時(shí)的流量信息。例如:正向計(jì)量、反向計(jì)量、瞬時(shí)計(jì)量等。數(shù)據(jù)為每半小時(shí)采集1 次,24h 的48 點(diǎn)數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)處理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并用以各個(gè)時(shí)段總表與分表的比較。
3)近端對(duì)水表參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。時(shí)間可以同步,提高分析的準(zhǔn)確與可行性;按需設(shè)置適合的數(shù)據(jù)上傳周期,周期越短實(shí)時(shí)性越好,但是成本也會(huì)增加,合適的周期很重要。周期上報(bào)可設(shè)定為記錄每日48 組數(shù)據(jù)(即半小時(shí)采樣一次),為分析用水習(xí)慣區(qū)分高峰和低谷,判斷用戶(hù)室內(nèi)是否存在漏損情況,以及為區(qū)域產(chǎn)銷(xiāo)差提供數(shù)據(jù)支撐。
4)具備可維護(hù)性和實(shí)用性??梢越藢?duì)水表進(jìn)行升級(jí),讀取所需數(shù)據(jù);也可以在云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,隨時(shí)查詢(xún)用水?dāng)?shù)據(jù)和水表參數(shù)以及開(kāi)關(guān)閥門(mén)的控制等。
5)確保與CAT.1 服務(wù)平臺(tái)的穩(wěn)定快速通信,保證通信安全和數(shù)據(jù)加密,同時(shí)能夠適應(yīng)任何應(yīng)用場(chǎng)景。
基于CAT.1 網(wǎng)絡(luò)的磁阻水表硬件部分主要由主控模塊單片機(jī)、外部CAT.1 傳輸模塊、電源電壓檢測(cè)電路、磁阻模塊、電源和電源控制電路組成,并且可以根據(jù)水表是否帶電動(dòng)球閥,分為磁阻分體水表和磁阻閥控水表。單片微控制器使用STM32L0 系列單片機(jī),采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電源電壓檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)電池電壓。智能水表的工作數(shù)據(jù)通過(guò)CAT.1 模塊發(fā)送給水務(wù)公司,因此可以便捷高效地查詢(xún)水表的用水量、反流閥值,及時(shí)間、周期水耗等數(shù)據(jù)信息。該方案的硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖1。
圖1 方案設(shè)計(jì)圖Fig.1 Scheme design diagram
3.2.1 主控模塊單片機(jī)
基于水表需要長(zhǎng)期使用的這一特性,需要選擇一款低功耗的單片機(jī)作為主控制部分,故本設(shè)計(jì)選擇STM32L0系列單片機(jī),其工作電壓范圍為1.65V ~3.6V,可快速?gòu)牡凸臓顟B(tài)喚醒。該部分主要功能為對(duì)電源電路的控制,使其在低電壓情況或是流量高于閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警;每半小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集,并通過(guò)CAT.1 通訊模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。
3.2.2 機(jī)電轉(zhuǎn)換模塊
本設(shè)計(jì)可采用鎖存型磁阻機(jī)電轉(zhuǎn)換方式,利用雙磁鋼配合兩個(gè)成90°排列的TMR1208 鎖存型磁阻,解決了單磁鋼不能逆向計(jì)數(shù)的這一問(wèn)題。雙極磁開(kāi)關(guān)的N 極和S 極轉(zhuǎn)圈,形成一個(gè)高低電平的脈沖,兩路磁阻組成兩個(gè)高低電平脈沖,形成四相四態(tài)。當(dāng)雙磁鋼正向旋轉(zhuǎn)磁阻根據(jù)磁場(chǎng)的變化交替產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí),形成01 00 10 11的脈沖信號(hào);當(dāng)雙磁鋼反向旋轉(zhuǎn)時(shí),磁阻產(chǎn)生脈沖信號(hào)的順序發(fā)生變化,形成10 00 01 11 的脈沖信號(hào)。主控芯片采集這些脈沖信號(hào),以便于判斷水流正反方向,實(shí)現(xiàn)正、反流計(jì)量。其中,輸出信號(hào)如圖2,兩個(gè)磁阻和磁鋼的安裝方式如圖3。
圖2 輸出信號(hào)Fig.2 Output signal
同時(shí),為使占空比不受磁場(chǎng)的影響,讓水流量的計(jì)量更加準(zhǔn)確,鎖存型磁開(kāi)關(guān)傳感器輸出的方波占空比越近似于0.25,計(jì)量效果越好。此時(shí),采用如圖3(右)所示的方法擺放磁開(kāi)關(guān)傳感器,將其置于磁鋼旋轉(zhuǎn)的圓周,且最優(yōu)角度夾角為90°。
圖3 安裝方式Fig.3 Installation method
3.2.3 電源模塊
為電源選擇供電電池需要考慮到許多問(wèn)題,如針對(duì)水表的應(yīng)用場(chǎng)景,水表的功能等均會(huì)對(duì)電池的選擇有不同側(cè)重。因此,在選用電池時(shí),需要考慮最大持續(xù)放電電流、存儲(chǔ)能力、工作溫度范圍、鈍化、安全性等問(wèn)題。
基于CAT.1 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表有兩種方案:一是選用億緯ER26500+SPC1520,二是定制SAFT17500×2+太陽(yáng)誘電鋰電池20F。鋰亞硫酰氯電池?fù)碛蟹€(wěn)定的高工作電壓,滿(mǎn)足T4 防爆等級(jí),同時(shí)擁有非可燃性電解液,長(zhǎng)使用壽命,寬工作溫度等特點(diǎn)。該電池標(biāo)稱(chēng)電壓為3.6V,標(biāo)稱(chēng)電量為8.5Ah,最大電流輸出為200mA。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中,由于瞬間電流較大,大于電池的最大電流輸出,因而在電路中額外添加電池電容器這一部分,借以保證在CAT.1 通信模塊傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí),能夠?yàn)槠涮峁┧璧碾娏鞴?yīng)。若電池存儲(chǔ)于高溫環(huán)境,再經(jīng)歷到低溫放電時(shí),將會(huì)出現(xiàn)電壓滯后的現(xiàn)象;當(dāng)電池過(guò)放電時(shí),會(huì)有潛在的隱患。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)必須要注意截止電壓的設(shè)計(jì),以避免過(guò)度放電存在的隱患,杜絕過(guò)度放電而引起爆炸的可能性。
圖4 基于CAT.1網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表的數(shù)據(jù)傳輸方式Fig.4 The data transmission mode of wireless remote water meter based on CAT.1 network
3.2.4 通訊模塊
4G CAT.1 無(wú)線通訊模塊具備中低速率數(shù)據(jù)傳輸、延時(shí)短、覆蓋范圍廣、功耗低、芯片封裝緊湊等優(yōu)點(diǎn),為無(wú)線遠(yuǎn)傳水表通信提供了充分保障[5]。水務(wù)公司技術(shù)人員通過(guò)串口在近端,不僅可以對(duì)水表的參數(shù)進(jìn)行配置,如設(shè)置水表底數(shù)、IMEI 號(hào)、上報(bào)周期、IP 地址、補(bǔ)報(bào)次數(shù)、表地址號(hào)等,還可以對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)以增加功能。水表根據(jù)設(shè)置的上報(bào)周期和采集頻次等,自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并上傳到云服務(wù)端。云服務(wù)器將數(shù)據(jù)推送至綜合抄表平臺(tái),管理人員可通過(guò)綜合抄表平臺(tái)遠(yuǎn)程查詢(xún)水表參數(shù)和下發(fā)指令進(jìn)行開(kāi)關(guān)閥操作等。整個(gè)過(guò)程和上報(bào)都建立在CAT.1 無(wú)線通訊技術(shù)的基礎(chǔ)之上[5]。
基于CAT.1 的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表采用磁阻傳感器采集流量數(shù)據(jù),并通過(guò)CAT.1 網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。就功能而言,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程抄取,最大程度降低水務(wù)公司的人力資源成本。通過(guò)管理軟件設(shè)置,無(wú)線遠(yuǎn)傳的綜合平臺(tái)可定期查詢(xún)周期性數(shù)據(jù),并進(jìn)行高低流量的篩選;通過(guò)對(duì)比前后用水的異常情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)跑水、漏水等異常情況,有效減少漏損帶來(lái)的用戶(hù)損失和資源浪費(fèi),避免可能出現(xiàn)的用水糾紛;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)30 天,可以為水務(wù)公司分析用水情況提供更多數(shù)據(jù),對(duì)用水量、用水高峰和低谷進(jìn)行分析和判斷,進(jìn)而根據(jù)不同情況采用不同措施,盡量避免水資源浪費(fèi)和產(chǎn)銷(xiāo)差。此外,根據(jù)實(shí)際需求,可以研發(fā)增加相應(yīng)的功能:如對(duì)孤寡老人家庭平日的用水量數(shù)據(jù)的分析,進(jìn)而有針對(duì)性地設(shè)計(jì)報(bào)警功能等。就通訊模組成本而言,在2G/3G 加速退網(wǎng)的刺激之下,多個(gè)地區(qū)提出創(chuàng)新激勵(lì)項(xiàng)目,以激勵(lì)企業(yè)研發(fā)CAT.1 芯片、模組、設(shè)備,推進(jìn)研發(fā)能力,提升生產(chǎn)水平以供市場(chǎng)需求。大力支持CAT.1 芯片和模組的研發(fā)工作,通過(guò)推廣CAT.1 的應(yīng)用,達(dá)到促進(jìn)規(guī)?;a(chǎn)業(yè)以降低芯片成本的效果,目前芯片成本已有大幅度下調(diào)。
在數(shù)據(jù)傳輸方面,基于CAT.1 的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表與NBIoT 水表相比,優(yōu)勢(shì)在于NB-IoT 受限于數(shù)據(jù)傳輸速度和移動(dòng)速度、時(shí)延需求,CAT.1 數(shù)據(jù)傳輸速度快,兼具移動(dòng)性和語(yǔ)音通話功能。CAT.1 支持的終端下行速率最大為10Mbps,上行速率5Mbps,可實(shí)現(xiàn)更高性能的連接和更低時(shí)延,保障溝通的實(shí)時(shí)性。CAT.1 適用于中速度應(yīng)用場(chǎng)景,能傳送更大的數(shù)據(jù)量,因此本設(shè)計(jì)在集合了NB-IoT水表所具備的功能以外,利用CAT.1 傳輸數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行了功能的擴(kuò)展,采集并傳輸大量相關(guān)水務(wù)數(shù)據(jù)信息。NB-IoT 與CAT.1 數(shù)據(jù)傳輸性能對(duì)比見(jiàn)表3。
表3 NB-IoT與CAT.1對(duì)比Table 3 Comparison of NB-IoT and CAT.1
在應(yīng)用場(chǎng)景方面,基于CAT.1 的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表與NBIoT 水表相比,優(yōu)勢(shì)在于NB-IoT 覆蓋還不完善,存在部分地區(qū)的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)載2G、3G 加速退網(wǎng)的遷移需求,而CAT.1 可在4G 基站的基礎(chǔ)上直接部署LTE 網(wǎng)絡(luò)完成升級(jí)。就產(chǎn)品推廣而言,無(wú)論國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還是在海外市場(chǎng)中,針對(duì)未被NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋的區(qū)域,由于CAT.1 網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋率高,覆蓋范圍廣,適配4G 網(wǎng)絡(luò)的特性,可將CAT.1 智能水表向其進(jìn)行大力推廣。
智能水表成為了建設(shè)智慧水務(wù)的一項(xiàng)重要組成部分,其功能的不斷完善和數(shù)據(jù)傳輸量的增加是一種趨勢(shì)。無(wú)線遠(yuǎn)傳水表在節(jié)約人力資源成本、水務(wù)信息智慧化管理和水務(wù)數(shù)據(jù)智能化分析方面具有優(yōu)勢(shì),既可提升水務(wù)公司的精細(xì)化管水、供水管理能力,又可以為智慧水務(wù)的建設(shè)提供強(qiáng)力的技術(shù)支持[6]。
NB-IoT 智能水表已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的項(xiàng)目,有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),同樣存在一定的局限性。因此,結(jié)合國(guó)家大力發(fā)展的CAT.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出基于CAT.1 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線遠(yuǎn)程水表的設(shè)計(jì),可以有效地彌補(bǔ)NB 網(wǎng)絡(luò)存在的短板,降低時(shí)延,傳輸大量水務(wù)信息相關(guān)數(shù)據(jù),應(yīng)用于NB-IoT 未被覆蓋的區(qū)域等。同時(shí),針對(duì)多樣的用戶(hù)需求和不同的區(qū)域限制,4G CAT.1 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表與NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表可以互補(bǔ)搭配,應(yīng)用于需求不同的使用場(chǎng)景。