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上海燃气集团的“NB-IoT抄表系统”

  燃气作为国民经济重要组成部分,与居民生活息息相关。抄表收费管理随着技术更迭,经历了人工,半自动、远程全自动抄表等过程,终于进入智慧化管理新时代。

  

  《上海市推进智慧城市建设"十三五"规划》提出,到2020年,上海信息息化整体水平继续保持国内颎先,部分领域达到国国际先进水平,初步建成以泛在化、融合化、智敏化为新特征的智慧城市。作为城市核心基础设施的燃气行业,进步提高其智能化水平,也成为推进上海智慧城市建设的重要一环。

  

  从然气公司的角度来看,抄表收费是日常供气管理中一项繁琐而复杂的工作。传统的燃气抄表收费方式是人工抄表,此方式存在入户难、管理费用高、数据实时性差、管网调控能力差等弊端端。随着社会经济建设日益加加快,燃气自动抄表技术得快速发展,但是在目前的燃气自动抄表系统中,抄表方式采用较多的是点对点抄表和集中抄表,故工作效率还是相对较低,也未达到实时性要求,并且抄表成本高;基于燃气表级联和基于采集噐汇总的无线远程集抄方式,虽然解決了燃气表数出户和数字远传后台,但还是存在通信成功率不稳定、运行维护困难等问题。因此,如何进一步提高抄表效率、保证数据传输准确性,以及降低抄表成本成为燃气行业普遍关注的问题。

  

  1、燃气抄表,NB-IoT来帮忙

  

  为了解决上述问题,基于NB-IoT标准的物联网技术提供了个新的可选项。NB-IoT作为远距离无线通讯技术中的新技术,针对终端传输数量多、单个终端传输数据量小、终端位置固定等应用场场景,具备六大技术优势,即覆盖广、连接多、速率低、成本低功耗少、架构优。NB-IoT技术支持终端待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT设备的电池寿命设计目标高达10年,同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

  

  NB-IoT技术的应用,对于燃气管网安全维护、实时报警、远程关断、能效管理等精细化管理也能起到重要的推动作用。更进一步,还有助于燃气公司拓展未来的业务空间,基于云技术和大数据分析技术,可对智能燃气前端收集的数据进行智能化、精确化分析,实现对全网管网设备监控、气量峰谷调配等管网优化,智能化分析客户使用行为习惯等信息。

  

  智慧燃气在实施过程中存在集中器安装位置难、取电困难,实时性差,网络覆盖难保证,网络维护附加成本高等痛点。NB-IoT技术具有深度覆盖、超大链接、超低功耗、高可靠性和安全性的特点,帮助燃气应用等物联网行业进行智能化改造、升級已经是必然趋势。与小无线表、GPRS(通用分组无线服务技术)表相比,NB-IoT燃气表在综合成本、网络建设成本、维护成本、抄表成功率与一次性抄表率、低故障率、公网电信级服务等方面占有优势。

  

  因此,上海燃气集团、中国科学院上海微系统与信息技术研究所的无线传感网与通信重点实验室联合研发了一套基于NB-IoT技术的智慧燃气终端模组、后台云平台和智慧燃气终端检测平台,并由此展开示范应用。

  

  据介绍,智慧燃气终端采用由运嘗商运维的授权频段商用蜂窝网络,通过终端在现网应用场景中的性能测试,从功耗、覆盖、延时等关键指枋维度对NB-IoT技术在智慧燃气应用的技术可行性、适用性、性能可靠性等进行评估,以解决上海智慧城市建设的智慧燃气需求,力争成为智慧燃气规模应用标杆和智慧城市建设引领示范。

  

  2、抄表系统架构与功能

  

  NB-IoT智慧燃气抄表系统主要由智慧燃气表终端模组与智慧燃气应用平台构成。系统总体结构如图1所示,呈现一个扁平的架构体系。智慧燃气表终端模组完成终端感知层的数据发送,在网络上层提供并建立智慧燃气应用平台,整个数据传输网络由运营商来构建、维护。具体工作流程如下:通过智慧燃气表终端模组进行实时环境参数采集;再通过NB-IoT把采集到的参数或信息发送给智慧燃气应用平台;由智慧燃气应用平台对数据库进行相应处理,并对环境参数进行判断或报警。用户通过网页、APP等连接到智慧燃气应用平台进行监控,实现燃气表读数、报警等功能。

图1  NB-IoT智慧燃气抄表系统总体结构图

  智慧燃气表终端模组。根据不同类型的燃气表对终端模组进行配置,使其适用于特定类型的燃气表。智慧燃气表终端模组实时采集环境参数,其中包括燃气表读数、电池电量、用气量、是开盖、阀门状态等,并进行报警。通过NB-IoT,终端模组把采集到的参数或信息经由运营商网络及物联网专用平台,发送给智慧燃气应用平台。

  

  终端模组在上电后会自动入网并连接服务器,默认在每分钟的第30秒上报一次数据,并且在初始上电的瞬可上报本机ID。服务器在收到某一模组的数据后,可以对该模组进行配置,设置该模组的地址、单元、上报时间、阀门开关等参数,模组会与服务器再次交互,匹配服务噐设置的时间,并进行教据交互。

智慧燃气表

图2 智慧燃气表总体结构与终端模组

  智慧燃气应用平台。整个智慧燃气应用平台分为登录、菜单栏、内容显示等部分,主要实现以下功能设备查看及维护:用以配置参数,查看或配置设备上报时间和开关门控制,并根据每个设备的ID号.录入对应的地址及小区单元。

  

  燃气云数据查询:用以显示各个ID号设备的所有信息,如设备号、读表时间、抄表读数、当前电压报警状态和该表的当前门状态,并且在子菜单中中能查看到该表近100次数据和最后30次数据的曲线直观显示该用户的燃气消耗走勢。

  

  数据看板查询:用于实时监控所有设备的最新状态,并能在可调整时间内实时更新

  

  参数维护查询:用于增加和更改看板刷新时间并能够对设备查看及维护页面中的设备上报周期做限制,如果在指定时间中某些时间不能被用来上报数据,那么可以在这个选项卡中将该时间点去除。

  

图3  参数维护查询

  通过智慧燃气应用平台,燃气企业可远程操作智慧燃气表终端模组,实时采集智慧燃气表流量信息、检测设备状态、下发控制指令。通过远程监测,燃气企业也可以将燃气数据精准地反馈给用户,在智慧燃气应用平台上,系统提供微信、支付宝、掌厅、网厅等主流APP接口来实现便捷服务,可以使抄表人员和用户方便地查询智慧燃气表具的读数。用户可以在自己的终端上实时查询数据,获取用量、账单、安检情况等信息,同时通过手机、网页等渠道,可快速实现缴费、查询、管理等业务,与燃气企业实时互动,打破传统、单一的人工缴费模式,有效提高用户满意度和幸福感。

 

图4  手机APP应用


    3、终端检测平台

  

  作为无线传输信号必须有一个传输规约。如如果传输规约不统一,则会出现各家终端不兼容的现象,导致无法有效管理。因此,上海燃气集团早在10年前就率先定立了无线抄表传输规约的企业标准。针对窄带物联网(NB-IoT)应用于智慧燃气的需要,研发智慧燃气终端检测平台。主要包括三方面的测试内容其一为NB-IoT信号发生,负责产生满足NB-IoT标准的RF(射频)信号;其二为NB-IoT信号分析,负责检测RF信号以及相应的物理层信道、射频参数数据等;其三为NB-IoT综合测试,在传统的物理层测试以外,増加了信令面上的处理和高层过程,可以通过空口信号分析应用层的信息是否符合上海燃气集团的传输规约

  该检测平台专用于窄带物联网智慧燃气终端检测可以用来对其传输性能和功能进行检测,以及传输规约一致性的检测。具体来说,包括检测窄带物联网燃气终端发射机信号功率、信号质量的评估检测,终端接收机接收灵敏度的测量,丢包率等无线性能传输质量的测量,以及终端各个状态下的运行功耗测量。

  该检测平台硬件采用射频模块、主控模块、信号处理模块以及丰富的接口模块,并配置触摸屏。软件部分的操作分为人机交互输入、硬件控制、申口命令控制、空口信号生成与采集、空口信号与功耗分析、参数和性能统计、测测量结果输出等步骤。按照信号检测划分则涵盖上行信号分析、下行信号分析、上行信号生成、下行信号生成、功耗测量分析。

图5   智慧燃气终端检测平台和待测件



  4、社会效益

  

  基于NB-IoT的智慧燃气终端可实现燃气数据自动采集和双向通信,解决了入户抄表与居民隐私的矛盾,提高抄表工作效率和及时性、准确性,为城市安全保驾护航,降低社会管理成本本,提高社会稳定性而且通过智慧燃气系统获得的大数据,可以了解不同区域的燃气能源用量情況,并据此优化输配管网运行效率,实现高效用能、协同互补,将可推动社会可持续发展,为绿色、环保、智慧化生活起铺垫作用,也为智慧城市建设起到积极的推动作用。

  

  基于NB-IoT的燃气行业第三方检测平台,检测智慧燃气终端的各电性能和射频性能参数,为上海智慧燃气表具市场规范准入以及市场监管提供了有效、公平的技术手段和方法。

  

  据权威预测机构Gartner预测,至2020年,全世界物联网终端数量将达到20.8亿个。仅上海燃气集团直辖燃气用户就接近600万户,全国燃气用户过亿,那么就存在过亿个NB-IoT燃气终端需求市场。本终端率先在上海燃气集团进行示范应用,未来可推广到全国燃气行业及水电等相关行业。NB-IoT智慧燃气业链集成了包含芯片、模组、表具、运行商、网络服务商等不同行业企业,整个产品的市场规模无可限量。

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