搜索
山东五洲水务科技有限公司NB-IOT物联网水表解决方案2019年3月技术部山东五洲水务科技有限公司1.序言本方案主要介绍NB-IOT在水务行业的应用，行业目前存在的问题，及NB-IOT技术为水务行业带来了哪些改变，解决了哪些难题。介绍了NB-IOT智慧水务整体解决方案，并对相关技术规范应用、业务功能及流程的进行了设计与约束、定义NB-IoT水表的基本功能集、实现流程，并提供方案设计建议。2.行业背景“十三五”时期（2016-2020年）将是我国全面建成小康社会，实现中华民族伟大复兴中国梦的关键时期，资源、能源发展面临前所未有的机遇和挑战，水资源在我国资源中占据重要地位。在国家继续深化改革的政策指引下，水务行业的发展环境将发生显著变化,水务行业的不断发展将及大的推动智能水表的发展。当前,传统智能水表在解决水务客户痛点时存在许多问题,比如数据传输不稳定、功耗高和抄表成功率低等。而NB-loT具有高安全、广覆盖、大连接、低功耗和低成本等特点,可以较好的解决上述问题,并更好的满足水务客户的发展需求。智能水表行业作为一个可持续发展的行业，市场前景广阔。目前我国正处于传统机械式水表向物联网水表的转换阶段，物联网水表凭借其安全性、便捷性、智能性等优点将成为市场上的主流产品。2.1行业痛点近年来城市水务取得了巨大的发展,但由于城市水务业务涉及城市安全、百姓服务满意、企业自身盈利、区域能源供需平衡等多方挑战,水务企业运营也一直存在诸多管理难题。抄表难，缺乏快速有效的抄表手段，由于传统工作方式效率低下，后台计费系统往往月末待集中进行计费出账。山东五洲水务科技有限公司收费难，缴费难，水费回收难，缺乏给用户的便捷缴费通道。传统抄表收费方式是纸质账单分发送达客户后，用户才能到指定营业厅进行缴费，往往很多用户感觉费时费力，因此难以积极主动缴费。及时性低，抄表、收费在传统人工抄收的模式下，及时性差，非常滞后。抄表收费周期长，对水务公司资金运转产生不利影响。缺乏高效的供水管网监测手段，人工排查问题效率低下，实时性差，很多安全、爆管问题难以及时发现。供水管网关乎工商业、居民用水以及水资源充分利用，管网腐蚀、漏水等，需通过实时远程监控，及时解决，才能预防与消除管网隐患。因此，水务公司急需技术手段加强管网压力、水质实时监测以及用户用水行为监测，实时对终端异常发出报警，或进行远程关阀控制。供销差难以控制监测，对于水务企业，管网漏损是企业收益的一大天敌。管网的物理漏算、表具的计量误差、抄表不及时以及用户偷水行为不能及时有效监控带来的输差损失，导致企业损失巨大。国家出台的阶梯计价等调控节能降耗措施难以实施，为促进水务行业健康发展，充分利用价格杠杆调节区域供需平衡，引导用户节约用水。近年来自来水价格改革不断深化，非居民用水价格不断市场放开，居民用水阶梯价也已经在全国多地进行实施落地。随着复杂价格计费，频繁的调价，需要精准的计量依据，传统的管理模式或者产品已经不再适用。2.2行业发展及趋势水务行业作为一个可持续发展的行业，市场前景广阔。目前我国正处于机械水表、IC卡智能水表向物联网水表的转换阶段，物联网水表凭借其安全性、便捷性、智能性等优点将成为市场上的主流产品。目前中国的水表市场存量中，各类智能表具占了20%~30%，并且在逐年快速增长，其中大部分是IC卡预付费水表，真正意义的远程自动抄表水表比例不高，依照通信作业模式划分，主要有：山东五洲水务科技有限公司机械式普表：机械计量非智能，需要人工入户抄表。IC卡表：预付费，单户控制，需要卡片作为介质。有线远传表：需要提前布线，有线方式连接。无线远传表：点对点、或者集中抄收、远程控制。2G物联网表：基于GPRS蜂窝网络、定时抄收、远程控制。水务公司在使用智能水表过程中，因为数据传输稳定性差、数据安全问题表具功耗大、无线网络覆盖能力弱等问题，一直阻碍了智能抄表的广泛应用，主要体现在：数据传输不稳定、抗干扰性差目前，许多水务公司是通过小无线等技术进行智能水表数据的传输。由于利用的是非授权频谱建立的自组网，其抗干扰性、数据管理水平良莠不齐，数据传输不稳定，安全和可靠性令人担忧。功耗问题作为对防水等级要求很高的水表，传统智能水表的高功耗问题，是水务公司迫切需要解决的问题。如需外接电源，将增加沟通成本。如内置电池，结构设计可更换电池，则由于功耗大，需更换电池，还需要考虑防水，将增加维护成本和管理难度。目前国内民用水表强制更换周期为6年，许多智能水表寿命一致性较差，难以达到业务要求。网络覆盖问题目前，国内很多水表安装在楼道内、室内或者地下井，安装环境非常复杂、差异很大。因此对网络要求较高，为保证传输效果往往需要加装信号放大器，但效果不尽人意，造成抄表率不稳定。多厂家多表具接入问题水务公司抄表智能化的需求催生了数量众多的智能表厂，趋于竞争压力，每家厂商的通信协议一般均为私有，而且不断推出新型号的表具和协议版本，每家厂商都提供不同的后台软件，为水务公司智能抄表带来更大的隐患。如使用小无线等方式进行数据传输，将难以实现大量智能水表数据通讯的统一网络搭建。如采用众多小区域单独管理模式，则将增加企业的管理难度和成本。需耗费大量人力物力财力解决智能表之间的系统互联互通问题。山东五洲水务科技有限公司随着网络技术的发展NB-IOT技术能够很好的解决以上问题，NB-IoT技术具有低功耗、广深覆盖、低成本、免维护等特点，应用与智慧水务方面，可以高安全、低成本的实现对智能水表的流量信息稳定的实时采集、设备状态监测、控制指令下发等远程操作，将采集的水表数据和状态信息进行及时分析和处理，从而实现更有针对性、科学性的动态管理，提升智慧水务的管理效率和服务水平。3.解决方案3.1整体解决方案介绍系统响应当前政策，顺应水表发展需求，实现“远抄、远控、互联、互通”，建设并完善智能远传抄表系统，“抄表不入户，服务不扰民！”造福民生，提升企业的管理和服务水平。系统采用一体化的方式对用户用水信息进行采集和管理：支持各类通信方式的接入和通道的扩展，全面覆盖采集对象；提供统一流程、统一标准的终端管理及运行质量监测，提高终端竞争公平性；采用分级配置的任务管理方式，降低任务管理难度；采用一体化数据存储模型，构建一体化数据中心，保证数据的一致性和准确性。平台是采用物联网、云计算、大数据等技术，整合数据采集、处理、存储、数据校验、展示、分析等功能于一体的智能表管理平台。平台需要连续不间断地采集各类用户的信息数据，根据采集规模、管理模式、业务处理等方面的差异化，要求采集平台在部署上支持云部署和分布式部署的两种结构实施方案。3.1.1NB超声波水表系列被同行广为推崇的高精度测量机芯结合湿式传动结构，使得表计表现更加完美。极低的始动流量及持久的精确计量是此表计最主要特征。液封字轮保证水表读数长期清晰。表体加强型设计，防止人为破坏，内置滤水器。同时内部标配单向阀，保证表计只计量单向流量。山东五洲水务科技有限公司特性■任意安装位置，极低始动流量■字轮灌装特殊液体，读数清晰■标配滤水器，减少水中杂质对机芯影响■表壳使用优质铜材压铸，坚固耐用■可安全工作在50°C水况中■显示范围从0.02L到9.999m³■标配单向阀，减少水流波动造成的计量误差■脉冲信号0.5l/脉冲■水表符合GB/T778.1-2007；ISO4064-1:2005及MID2004/22/EC标准要求3.1.2网络层网络层主要是指运营商的网络，这里主要是NB-IOT网络，主要起到传输作用，其特点如下：广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力信号更强；海量连接，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、低设备功耗和优化的网络架构；低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；低成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。3.1.3平台层平台层主要是指中国移动自主研发的物联网开放平台OneNET，OneNET平台启动一个承上启下的作用，向下支持不同厂家、不同型号、不同协议的水表接入，向上开放API及数据推送与水务公司智慧水务系统连接，OneNET平台还具有设备FOTA升级、海量连接、协议转换、消息路由等核心功能的支持，将智慧水务系统解耦，聚焦于实现业务逻辑和功能。OneNET平台主要功能如下：数据分析：提供大数据存储与分析框架，为基于水务系统的大数据分析提供基础能力服务；设备管理：在OneNET层面对底层终端设备的信息及控制管理；规则引擎：提供可编辑的规则触发引擎，为告警管理提供灵活易用的开发框架；山东五洲水务科技有限公司FOTA：远程升级功能，提供给底层设备远程固件升级的功能；消息路由：实现上下行数据消息路由功能；消息分发：可将采集的数据通过消息转发、短信推送、APP信息推送等方式快速传递信息内容；推送通知：可将报警信息和采集数据通过短信、邮件、消息等方式推送至用户或第三方系统；9山东五洲水务科技有限公司协议转换：实现底层设备的传输数据解包、数据格式转换以及协议适配；数据鉴权：针对底层设备数据上传的数据鉴权和用户通过OneNET获取数据的鉴权管理；负载均衡：解决底层设备并发数据请求的连接压力，通过分布式集群处理满足高并发连接请求。3.1.4应用层应用层基于OneNET的上层应用，面向水务公司和水表用户，通过APP、微信、WEB网页等前端展示形式，应用通过调用OneNET平台API接口，建立数据与应用之间的关联，构建面向客户的系统服务器，并进行业务逻辑编排，组成多个管理模块，客户端通过调取各模块数据，实现视图层前端展示。主要包含水务各业务相关的专业信息化系统及基于大数据分析的上层智能应用。3.2水务应用性能指标系统无故障运行时间大于5000小时。系统恢复时间小于4小时。最大终端管理量不低于1000万台；接入用户数500户常规数据查询响应时间＜5s；模糊查询响应时间＜8s；网络正常、接口数据传输通畅情况下，一般功能页面打开时间低于3秒；历史查询功能等大数据量页面打开时间低于5秒。数据库中数据量超过千万条记录时，数据库能在5s内完成操作；3.3安全性要求平台应具备扩展性，及TB级数据长期存储、安全使用能力。应具备快速处理和山东五洲水务科技有限公司山东五洲水务科技有限公司大用户并发能力。支持智能终端设备采用安全芯片提供加密和认证。平台设计应符合信息安全等级保护三级及云平台安全相关要求，符合国家技术与法规要求的国密算法。支持国密算法及密钥的管理与发行，支持无证书的非对称密码体系。支持多安全域管理、多安全应用和远程的安全下载。支持采用无证书机制提供统一认证服务。支持符合国密标准的对称与非对称数据加密保护通信通道。支持数据加解密、签名验签、随机数生成、密钥等敏感数据加密存储和访问控制、快速销毁，支持安全设备管理、安全策略配置、密钥管理、安全事件监测、行为安全审计。系统应提供角色管理、权限管理、统一认证等功能，采用加解密（含对称与非对称密钥、数字信封等）、签名验签等安全手段。提供对重要事件的日志管理功能。根据业务需要，提供基于IP网络的服务接口，需采用远程过程调用RPC接口或Restful接口形式；提供基于NB_IoT网络服务接口，需结合NB_IoT网络特性进行安全设计。4.业务功能及流程表计终端通过NB-IoT网络与平台交互，实现的功能主要包括终端上线：表计终端在IoT平台/应用平台注册，平台获知表计终端IP地址和状态。周期数据上报：按照设定的时间将表计的用量、金额、状态、信号等业务数据上传到应用平台。远程控制及参数配置：通过应用平台向终端下发参数设置、充值、阀控、升级等指令。通过序列号过滤掉网络重发的充值指令，防止重复充值。设备异常上报：当表计发生超流速、微漏、干簧管坏、关阀漏水、移动报警、电池欠压、欠费等异常情况时会立刻向平台发送消息。4