水务实施NB-IoT物联网智能抄表终端项目的“三维度”与“三要素”

作者:云水之间来源:愿景科技公众号

编者参加过2017年3月30日中国电信与华为在深圳联合举办“智慧城市公共服务领域物联网应用研讨会”,会议期间中国电信、深圳水务集团及华为联合发布了《NB-IoT智慧水表白皮书》;并积极关注多个NB-IoT智慧水表在各地的推广应用案例;短短两年多的时间,物联网技术迅速渗透水务智能抄表领域并得到快速应用,从最初的预付费智能水表到脉冲水表、光电直读水表、LoRa无线远传水表到最终的NB-IoT智慧水表,笔者见证了水务智能抄表发展的各个阶段,现阶段水务实施智能抄表主要两种途径:

新增或更换:新增市场或到期轮换时采用新型智能水表进行规模化替换,现阶段以光电直读水表、超声水表、NB-IoT智慧水表为代表的有线、无线两种抄表方式。

改造与升级:依照物联网领域“不替换、不改变、提成本”理念为传统水表赋能,接入物联网设备实现升级改造,以计数直读水表、摄像直读远传水表为代表的抄表方式。

如果以物联网的“云 管 端”角度看待水务智能抄表,在国内三大运营商NB-IoT技术存在不同差异,基站建设速度不一,三张物联网在短期内仍将各自割裂,彼此形成物联网孤岛,三大运营商主要采取的在现有移动通信基站覆盖范围内升级的方式在主城区支持NB-IoT的做法,即使在同一家网络也容易形成孤岛林立的碎片化格局的形式下,如何保证物联网智能抄表方案的顺利落地应用,以及影响其最终实施效果,需要从三个维度加以分析:

“云”--统一的平台,兼容多品牌、多协议的数据信息采集主站,避免信息孤岛现象。水务可进行私有部署或共有部署,为保证数据的安全性,运营商提供的“云”平台较为可靠、安全,但需要设备厂商或水务企业与运营商密切配合,技术衔接,按照运营商对“云”端数据安全的技术要求从源头开发、设计智能终端。

“管”--稳定、可靠的通讯网络。用用场景的多样化要求必须有一条稳定、可靠的通讯传输网络,不管是异构形成的通讯网络还是运营商提供的网络,在数以千计万计的终端设备连接时,最终都绕不开运营商提供的远程通讯服务。除非用户选择成熟、稳定的短距离无线通讯网络(GFSK、LoRa等)自行组建LPWAN网络进行私有化管理,现实是水务既没有建设私有网络的资金实力,在后期维养上也存在一定技术门槛,在到达云端的最后一米与运营商的IoT进行异构,则用户承担的流量资费是最低的;每个终端采用运营商提供的NB-IoT通道则需要承担对应的流量资费,但可避免因自身网络技术局限造成的通讯维护难的问题,依赖政府力挺的运营商物联网保证数据传输,水务可将自建网络的维养费用与流量资费做对比,两权相利取其重,两权相害取其轻

“端”—不管是选择全新的智能水表替换,还是在原有水表进行升级改造,低功耗成为刚需,满足市电持续供电的场景不必考虑此因素,水务智能抄表相比较其他远程抄表场景更为复杂的多,既要考虑电源获取,还要考虑安装位置的复杂、潮湿等恶劣环境,更重要的是对五花八门抄表方案(有线、无线)选型带来诸多相关问题。

在大量固定场所中,局域网络的物联网应用具有优势,如智能家居频繁、实时、大数据量交互中,短距离通信的GFSK、LoRa、zigbee等通讯技术发挥着不可替代的作用。而LoRaWAN具备广覆盖、大连接、低功耗、低成本等物联网特性,可广泛应用于多种室外场景。已有不少企业通过低功耗广域网络和局域网络之间的互补实践带来更好的物联网用例。这种“互补效应”体现在对原有解决方案的纵向扩展、复杂场景下更多选择,以及新增产品生命周期管理能力等,并在此基础上使得现有的产业可能形成新的生产经营模式。这是一个跨界融合的时代,很多原有的范式正在被突破和重构。通讯技术和信息技术前所未有的交织在一起,无论是Wi-Fi 6还是5G,人工智能和云原生正在和它们紧密结合。水务智能抄表场景的多样化势必决定了采取多样化的网络构成,短距离稳定成熟的无线网络例如GFSK、zigbee、蓝牙或广域通讯网络(电信、移动、联通、广电)的融合互补,方可最大程度的保证通讯覆盖的广泛性,即使运营商也不可能在短时间内保证“无人区”(分散、空旷地区)物联网信号。

编者就近期参加的物联网摄像抄表终端现场实测案例,发表一些非技术角度的言论,也算是对NB-IoT物联网终端从设计、开发到落地应用的一点思考,也是在推行物联网行业应用的感悟,以供大家借鉴思考,本文以物联网摄像智能终端设计与应用出发,从物联网全产业链的角度审视物联网终端设备厂商的研发创新,从三个层面思考:

1、模组厂商:物联网终端的设计之初,充分考虑国内外的芯片厂商与通讯模组厂商的模组性能指标例如NB-IoT无线通信中的发射功率和接收灵敏度,其他主要性能:是否带有定位功能、所接受的信号强度极限等。芯片主要以华为海思、美国高通、深圳中兴微、台湾联发科、锐迪科微等,通讯模组以上海移远、中兴物联、上海移柯、中移物联、芯讯通、新华三、有方科技、广和通、利尔达等为主。具体可参考专业机构测试的相关技术文件:《NB-IoT物联网芯片测评报告》等。

2、运营商:运营商在整个水务物联网抄表中扮演者不可或缺、举足轻重的角色,物联网抄表的前期,中国电信、中国联通、中国移动都是积极的推动者,选择不同的时期发表过技术白皮书,例如中国电信联合深圳水务集团、华为发布的《NB-IoT智慧水表白皮书》、中国移动《NB-IoT智能水表解决方案白皮书》、联通2019年6月公布了已招募22家NB-IoT智能水表供应商。国内运营商提供的“管”服务是有偿的,中国电信2017率先在全球第一个推出了NB-IoT使用资费套餐标准,中国移动、中国联通紧随其后,开始在巨大的物联网市场跑马圈地的激烈角逐,并推出了对应的技术标准,例如《中国电信NB-IoT终端开发参考白皮书》、发布新一代物联网开放平台、中国电信物联网云平台_NB-IoT业务对接指导书等。智能抄表终端在设计之初,就应开始对三大运营商因NB-IoT技术不同与平台应用要求不同做好技术储备,以便在不同区域选择对应的运营商通讯网络。

3、设备厂商:立足水务智能抄表的独特价值需求,无论是通过改造升级还是通过整表更换实现智能抄表,都应对智能终端、智慧水表的低功耗、适应复杂场景的防水性能提出更高的要求,此外升级改造采用的摄像抄表终端还涉及到图像识别算法等,设备厂商应与运营商、通讯模组厂商紧密配合,加强技术沟通,搞清楚弄明白芯片厂商、模组厂商产品的性能指标、优劣势、应用场景区分等,运营商基站对NB-IoT物联网终端接入的要求、方式、标准、连接次数、连接时间等,国内三家运营商的提供的服务存在一定程度的差异,设备厂商做好采用不同运营商物联网卡的多种技术应用,才能满足不同区域对运营商的选择,从而对物联网智能终端嵌入式程序做出相应调整,保证终端在不同运营商网络与平台下的稳定运行。

因此,水务在实施物联网智能抄表项目的过程中,综合考虑当地应用场景客观因素,把握项目实施的关键点,知悉其中的物联网终端在全产业链中的关联应用,物联网智能终端不是简单的选择设备供应商,还涉及到当地运营商提供的网络服务,设备厂商选择不同的运营商的技术标准并与当地网络运营商技术对接,是实施物联网智能抄表项目正确的打开“姿势”,应从以下三个要素考虑:

1、运营商选择:当前形式下,水务部门要合理评估当地运营商提供的NB-IoT资费套餐,国内三大运营商提供的网络服务基站建设进度不同,资费标准有所不同,应当首先考虑的是运营商提供网络服务的指标,但就智能抄表而言需要的几个指标:信躁比(与终端定位相关)、信号强度(与终端接收灵敏度相关)、信号等级、通讯速率等,有条件的话可联合当地运营商在不

同应用场景做实地OTA测试(功率、灵敏度测试),要求运营商做出对应性的NB-IoT网络优化调整,获得运营商对信号强度的覆盖范围承诺;其次,长远考虑资费标准,国内运营商有不同程度的资费套餐标准,有的提供大幅优惠活动,按照智能抄表终端使用周期年限选择对应的运营商网络;最后,考虑因客观因素导致信号不能覆盖却必须安装智能终端的地区,考虑其他固定场景下短距离通讯网络做为补充,如GFSK、LoRa、zigbee等近距离通讯与NB-IoT网络异构互补融合,保证通讯网络可靠性与稳定性。三大运营商物联网应用服务模式如下:中国移动提供“OneMo模组+物联网卡+OneNET云平台”一体化方案;中国电信提供“第三方模组+物联网卡+天翼云平台”方案;中国联通提供“第三方模组+物联网卡+沃云平台”方案,中国电信、中国联通业已开展过大规模的NB-IoT模组招标,如何抉择需要水务部门与设备厂商因地制宜进行对比、分析后根据当地运营商服务、应用场景、厂商技术能力等方面确定。

结论:根据数据传输频次与大小、设备生命周期选择对应流量资费套餐;约束当地运营商提供的网络传输信号的多种指标;合理利用NB-IoT物联网初期的运营商优惠政策;做好不同物联技术网络之间异构、互补融合的应对措施。

运营商资费生命周期套餐标准

2、设备厂商选择:物联网技术与信息技术的快速发展,催生了一部分原先以生产电子电路、嵌入式系统、通信与软件、互联网等产品行业外企业利用其自身优势,转型从事智能水表电子模块生产、软件产品开发、乃至智能水表整机及水务抄表、应用系统开发等业务,参与水务智能抄表等业务竞争,长远来看对改变行业竞争格局、提升智能抄表技术含量、加速产品结构调整与企业转型升级有利,水务实施智能抄表项目尽可能选择使用案例丰富、用户反馈良好、智能抄表从业时间较长、智能抄表经验积累丰富的企业,结合不同企业的优势予以判断,或者整合设备商之间的资源、产品、技术优势、从业经验等,共同为企业智能抄表项目服务。

另外,设备厂商智能终端选择的通讯模组与生产工艺稍加关注,全球新一轮的物联网技术发展迅速加速竞争格局下,国内NB-IoT物联网上有政府扶持,中间有运营商积极布局,下有华为摇旗呐喊,NB-IoT在中国不火都难,设备厂商选择“国产芯”的同时保持冷静思维,从数据的安全性、连接速率、运营商信号覆盖等方面全盘考虑,当前三大运营商因采用频段各异,对下游感知层也形成了困扰,特别是物联网芯片、模块产业因为多频段支持需要增加额外成本,选择性价比最优、性能指标最全面且支持不同运营商网络切换的通讯模组为第一优选。最后重点着眼于设备厂商终端设备的生产工艺,如采用贴片卡还是插拔式物联网卡、终端设备的防水性能测试、低功耗测试、环境温度测试等一些重要性能指标。

结论:选择生产工艺、防水性能、超低功耗的设备厂商;制定一些对电池、准确率、成功率等一些关键指标数据进行约束;主动牵头整合当地运营商、不同厂商之间的技术优势资源整合,融合多方优势为智能抄表项目服务。

中国芯

物联网卡的种类

3、数据采集平台选择与整合:历史原因造成水务公司智能抄表软件因使用不同品牌厂家,各自拥有一套抄表软件,甚至各厂家的协议不一、抄表方式不一,工作模式不一,给水务主站操作人员带来很大的困惑,造成数据采集主站数据、信息的孤岛现象。物联网智能终端的应用,要考虑最终平台的统一性,从建设“智慧水务”的长远着眼,抄表采集系统作为智慧水务的子系统,智慧水务厂商不可能耗费大量的人力、物力去逐一去对接、兼容多家的抄表系统,发生故障时容易发生责任不清、互相推诿等现象,无论是私有部署还是云端部署都应建设一套完整的主站平台,既能兼容以往智能抄表方式、厂家、品牌,同样适用后期其他智能终端品牌的设备、数据接入,水务企业应根据业务实际需求,根据实际使用状况不断对抄表主站提出新的需求,站在管理者、最终用户、基层操作人员、维护人员等角度对抄表平台做出完善,利用当前发达的信息技术、互联网技术等开发出对应的客户端应用工具软件,例如微信公众平台、微信小程序、手机APP等,增强管理者与用户的体验感,

结论:避免重复建设信息孤岛,从建设“智慧水务”角度长远考虑主站水表信息采集平台建设,要求支持设备混装互联,集中管理;结合自身应用需求提出合理化的更改需求,最大限度满足实际应用;具备条件的下可选择第三方软件平台厂家予以抄表平台的整合,实现企业内不同终端设备(智能终端、智能水表、网关)之间的互联互通,混装并用。

统一数据采集平台

就此次测试最终结果而言,从智能摄像终端设计、开发、制造、安装、调试、上线,短短的半个月时间,历经了设备初装的一次抄收成功率不足30%,经过现场与运营商信号测试、通讯模组性能指标分析,调整后到抄收成功率达到90%,再到最近一周连续保持抄收成功率100%,识别准确率98%以上,感受颇多,深切体会到物联技术应用涉及到的方方面面,回想起以前对物联网一些基础知识的关注与理解,结合此次亲身参与测试的过程,物联网智能终端的行业应用并不是想象中的那么简单,设备厂商的研发能力、通讯模组的性能指标、运营商NB-IoT网络对连接时间、数据传输途径、同一时间点的连接频次、信号覆盖的范围,着实让编者这个非技术人员从中学习到宝贵的知识与经验,也算是投身于NB-IoT物联网终端落地商用,服务水务智能抄表从业人员的一点感悟,以飨同行业人员与管理者。