戶用熱表物聯網技術的研究與應用

 

　　青島市城陽區(qū)、即墨區(qū)、平度市因房屋入住率低、當地供熱政策不完善等原因，暫不具備實行熱計量收費條件，所有用戶均未實行熱計量收費。而青島能源熱電集團使用的絕大部分熱量表為進口熱量表，帶M-bus有線遠傳接口，如蘭吉爾、恩樂曼、代傲(原荷德魯美特)、丹佛斯等，國產品牌熱計量表安裝較少，主要有威海天罡、力創(chuàng)、瑞納等品牌熱計量表。目前由于熱計量表計體量較大，傳統(tǒng)的有線采集方式具有一定的局限性，而NB-IoT技術具有覆蓋范圍廣、成本低等特點，因此在科學技術高速發(fā)展的信息化時代背景下，高效、精準的還原計量數據成為熱量表運行的關鍵。
 

　　01采集方式研究
 

　　1.1熱量表采集方式應用現狀
 

　　青島能源熱電集團自2010年實行新建小區(qū)分戶熱計量政策以來，采購的熱計量表絕大部分為進口表計，表廠配套使用的抄表系統(tǒng)品牌不一，光市內三區(qū)和嶗山區(qū)的分戶計量管理平臺就有5套，分別是通瑞智慧熱網、盛為智能熱網系統(tǒng)、河北工大科雅、德爾和斯達特數據采集系統(tǒng)。
 

　　1.1.1現有的采集運行方式
 

　　目前青島能源熱電集團的熱量表上傳方式是采用有線網絡連接采集器，將熱量表表號與住戶相對應，住戶熱量表數據通過M-bus協議上傳至采集器；采集器對各住戶的采集數據打包處理，利用4G網絡通過M-bus RTU將數據遠傳至服務器。
 

　　1.1.2NB物聯網表的采集運行方式
 

　　NB-IoT是指窄帶物聯網(Narrow Band -Internet of Things)技術，NB-IoT網絡包括NB-IoT終端，NB-IoT基站，NB-IoT分組核心網，IoT連接管理平臺和行業(yè)應用服務器。需要升級現網基站支持NB-IoT業(yè)務，部署NB-IoT業(yè)務專用的EPC(CloudEdge)，需要新部署IoT連接管理平臺。
 

圖1
 

　　為了保證物聯網智能熱表數據采集更加快速，強化智能控制效果，需要在熱表當中安裝 SIM卡，其核心功能是存儲熱表數據，而且可以識別用戶真實身份，SIM 卡的制作與使用流程如下：
 

　　物聯網系統(tǒng)運營企業(yè)，直接向 SIM 生產商提出相應的需求，提供移動用戶的識別碼與密鑰信息，SIM 卡生產商根據物聯網運營企業(yè)所提出的要求進行制作，使用方向物聯網運營商購買 SIM卡，同時進行激活與鑒權，保證智能熱表的各項功能得到很好實現。使用方屬于服務購買方，僅負責應用，物聯網運營企業(yè)負責后續(xù)的運維管理。
 

　　1.2兩種采集方式對比
 

　　1.2.1費用對比
 

　　青島能源熱電集團市內三區(qū)和嶗山區(qū)的五家遠傳系統(tǒng)費用情況：在數據采集系統(tǒng)上傳方面，集團投入總費用約6417萬元，平均270元/塊。其中費用包含：前期投資和運行維護兩部分，前期投資的費用包括施工費用、設備費用、軟件費用、調試費用等，運行維護的費用主要包括通訊費用、維護費用、人工材料等，含9年質保。還有通訊費：采集器的年度費用采用包年的方式，費用為50元左右，一個采集器可帶戶表約100塊左右。
 

　　通過了解燃氣公司居民用氣表，其采用的是窄帶物聯網技術，自帶NB-IoT通訊模組，將數據傳輸到指定后臺，形成點對點上傳可實現低功耗及較為穩(wěn)定的數據傳輸。費用：燃氣表的采購費用290塊錢左右，包括基表，通訊模塊和10年的通訊費(每24小時采集一次)，其次建立數據采集平臺，每年按照平臺建設合同值按比例約定每年維護費用。安裝位置為用戶戶內，信號較好、采集率較高。
 

　　1.2.2現有采集方式存在問題
 

　　熱量表拆裝不規(guī)范導致遠傳故障，熱量表拆檢時，在拆裝熱量表的過程中，遠傳線纜連接不規(guī)范而導致上傳故障；
 

　　管道井的相關問題，一是部分管道井內的環(huán)境潮濕或存在長期漏水的問題，導致遠傳線路受到腐蝕，影響數據傳輸；二是住戶在管道井內堆放雜物導致線路故障，增加維修難度和工作量；
 

　　網絡信號問題，部分小區(qū)存在樓體結構問題導致采集器所在位置的通信信號不穩(wěn)定，影響數據傳輸的穩(wěn)定性。
 

　　1.2.3NB物聯網表優(yōu)勢
 

　　終端表計企業(yè)不需要自己組網、不需要網絡維護和升級；
 

　　海量連接：每小區(qū)可達10萬連接，NB-IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升，這也就意味著，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50~100倍的接入數；
 

　　超低功耗：電池壽命長達十年，低功耗特性是物聯網應用一項重要指標，特別對于一些不能經常更換電池的設備和場合，如安置于高山荒野偏遠地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池使用壽命是最本質的需求；在電池技術無法取得突破的前提下，只能通過降低設備功耗以延長電池供電時間；通信設備消耗的能量往往與數據量或速率相關，即單位時間內發(fā)出數據包的大小決定了功耗的大小；數據量小，設備的調制解調器和功放就可以調到非常小的水平；NB-IoT聚焦小數據量、小速率應用，因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小，可以保障電池5年以上的使用壽命；
 

　　深度覆蓋：能實現比 GSM 高20db的覆蓋增益，NB-IoT比LTE提升20dB增益，相當于發(fā)射功率提升了 100倍，即覆蓋能力提升了100倍，就算在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也能覆蓋到；
 

　　安全性：繼承4G網絡安全能力，支持雙向鑒權以及空口嚴格加密，確保用戶數據的安全性；
 

　　穩(wěn)定可靠：能提供電信級的可靠性接入，有效支撐IoT應用和智慧城市解決方案，NB-IoT直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，即可與現有網絡基站復用以降低部署成本、實現平滑升級，但是使用單獨的180KHz頻段，不占用現有網絡的語音和數據帶寬，保證傳統(tǒng)業(yè)務和未來物聯網業(yè)務可同時穩(wěn)定、可靠的進行；以智能抄表應用為例，與采用有線PLC抄表數據回收成功率在60%左右相比，NB-IoT可以保證數據成功回收率達99%，可靠性大大提高；
 

　　低成本：低速率低功耗低帶寬帶來的是低成本優(yōu)勢，NB-IoT芯片可以做得很小，芯片成本往往和芯片尺寸相關，尺寸越小，成本越低，模塊的成本也隨之變低。
 

圖2
 

　　02數據采集協議標準化
 

　　青島能源熱電集團熱表品牌雜亂不一，數據采集系統(tǒng)品牌繁多，管理相對困難，只有對數據采集的方式和渠道進行規(guī)范，才能夠快速、準確抓取有效數據，并有效降低數據異常、數據濫用所帶來的一系列危害，從而為企業(yè)實現數字化、智能化轉型創(chuàng)造有利條件。
 

　　據了解，數據自動采集系統(tǒng)從底層向上分為下位機、傳輸網絡、上位機三個層次，上位機通過傳輸網絡與下位機交換數據、發(fā)起和應答指令，我們通過擬定數據采集標準化協議，打通整個數據傳輸過程，也就是無論熱表是何品牌、采集器是何品牌，都能完成數據的快速、準確傳輸。截止目前青島能源熱電集團已完成了采集器及上位抄表軟件接口的開發(fā)及測試，制定了交叉測試方案，通過交叉測試的方式，相互驗證各遠傳系統(tǒng)廠家的采集器、上位軟件接口開發(fā)效果及穩(wěn)定性，取得了很好效果。
 

　　03結論
 

　　數據采集的標準化、規(guī)范化，不僅需要依靠扎實的技術手段作后盾，更需要設備、平臺和系統(tǒng)的配合運用。充分調動多種因素，把技術、制度的作用放大，將有助于企業(yè)管理者明確數據采集、應用、分享的界限所在，從而在合規(guī)范圍內使用計量數據進行生產運行分析。
 

　　另外，隨著智能熱表應用持續(xù)增長和全球物聯網技術迅猛發(fā)展，智能熱表以及各儀表行業(yè)迎來了NB-IoT新的發(fā)展機遇。
 

　　下一步青島能源熱電集團將深入實地考察，針對開放式管道井或管道井封閉管理較差的供熱計量小區(qū)試點，通過引入NB-IoT無線網絡傳輸方式以及通訊協議標準化采集實現降低采集故障率以及分戶計量數據采集標準化工作，更好地發(fā)揮平臺對生產運行的指導作用。
 

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