户用热表物联网技术的研究与应用
- 2023/2/24 11:05:21 19640
- 来源：环球表计 丁美双/王文均等
青岛市城阳区、即墨区、平度市因房屋入住率低、当地供热政策不完善等原因，暂不具备实行热计量收费条件，所有用户均未实行热计量收费。而青岛能源热电集团使用的绝大部分热量表为进口热量表，带M-bus有线远传接口，如兰吉尔、恩乐曼、代傲(原荷德鲁美特)、丹佛斯等，国产品牌热计量表安装较少，主要有威海天罡、力创、瑞纳等品牌热计量表。目前由于热计量表计体量较大，传统的有线采集方式具有一定的局限性，而NB-IoT技术具有覆盖范围广、成本低等特点，因此在科学技术高速发展的信息化时代背景下，高效、精准的还原计量数据成为热量表运行的关键。
01采集方式研究
1.1热量表采集方式应用现状
青岛能源热电集团自2010年实行新建小区分户热计量政策以来，采购的热计量表绝大部分为进口表计，表厂配套使用的抄表系统品牌不一，光市内三区和崂山区的分户计量管理平台就有5套，分别是通瑞智慧热网、盛为智能热网系统、河北工大科雅、德尔和斯达特数据采集系统。
1.1.1现有的采集运行方式
目前青岛能源热电集团的热量表上传方式是采用有线网络连接采集器，将热量表表号与住户相对应，住户热量表数据通过M-bus协议上传至采集器；采集器对各住户的采集数据打包处理，利用4G网络通过M-bus RTU将数据远传至服务器。
1.1.2NB物联网表的采集运行方式
NB-IoT是指窄带物联网(Narrow Band -Internet of Things)技术，NB-IoT网络包括NB-IoT终端，NB-IoT基站，NB-IoT分组核心网，IoT连接管理平台和行业应用服务器。需要升级现网基站支持NB-IoT业务，部署NB-IoT业务专用的EPC(CloudEdge)，需要新部署IoT连接管理平台。
图1
为了保证物联网智能热表数据采集更加快速，强化智能控制效果，需要在热表当中安装 SIM卡，其核心功能是存储热表数据，而且可以识别用户真实身份，SIM 卡的制作与使用流程如下：
物联网系统运营企业，直接向 SIM 生产商提出相应的需求，提供移动用户的识别码与密钥信息，SIM 卡生产商根据物联网运营企业所提出的要求进行制作，使用方向物联网运营商购买 SIM卡，同时进行激活与鉴权，保证智能热表的各项功能得到很好实现。使用方属于服务购买方，仅负责应用，物联网运营企业负责后续的运维管理。
1.2两种采集方式对比
1.2.1费用对比
青岛能源热电集团市内三区和崂山区的五家远传系统费用情况：在数据采集系统上传方面，集团投入总费用约6417万元，平均270元/块。其中费用包含：前期投资和运行维护两部分，前期投资的费用包括施工费用、设备费用、软件费用、调试费用等，运行维护的费用主要包括通讯费用、维护费用、人工材料等，含9年质保。还有通讯费：采集器的年度费用采用包年的方式，费用为50元左右，一个采集器可带户表约100块左右。
通过了解燃气公司居民用气表，其采用的是窄带物联网技术，自带NB-IoT通讯模组，将数据传输到指定后台，形成点对点上传可实现低功耗及较为稳定的数据传输。费用：燃气表的采购费用290块钱左右，包括基表，通讯模块和10年的通讯费(每24小时采集一次)，其次建立数据采集平台，每年按照平台建设合同值按比例约定每年维护费用。安装位置为用户户内，信号较好、采集率较高。
1.2.2现有采集方式存在问题
热量表拆装不规范导致远传故障，热量表拆检时，在拆装热量表的过程中，远传线缆连接不规范而导致上传故障；
管道井的相关问题，一是部分管道井内的环境潮湿或存在长期漏水的问题，导致远传线路受到腐蚀，影响数据传输；二是住户在管道井内堆放杂物导致线路故障，增加维修难度和工作量；
网络信号问题，部分小区存在楼体结构问题导致采集器所在位置的通信信号不稳定，影响数据传输的稳定性。
1.2.3NB物联网表优势
终端表计企业不需要自己组网、不需要网络维护和升级；
海量连接：每小区可达10万连接，NB-IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升，这也就意味着，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数；
超低功耗：电池寿命长达十年，低功耗特性是物联网应用一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备，它们不可能像智能手机一天一充电，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求；在电池技术无法取得突破的前提下，只能通过降低设备功耗以延长电池供电时间；通信设备消耗的能量往往与数据量或速率相关，即单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小；数据量小，设备的调制解调器和功放就可以调到非常小的水平；NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，可以保障电池5年以上的使用寿命；
深度覆盖：能实现比 GSM 高20db的覆盖增益，NB-IoT比LTE提升20dB增益，相当于发射功率提升了 100倍，即覆盖能力提升了100倍，就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到；
安全性：继承4G网络安全能力，支持双向鉴权以及空口严格加密，确保用户数据的安全性；
稳定可靠：能提供电信级的可靠性接入，有效支撑IoT应用和智慧城市解决方案，NB-IoT直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，即可与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级，但是使用单独的180KHz频段，不占用现有网络的语音和数据带宽，保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行；以智能抄表应用为例，与采用有线PLC抄表数据回收成功率在60%左右相比，NB-IoT可以保证数据成功回收率达99%，可靠性大大提高；
低成本：低速率低功耗低带宽带来的是低成本优势，NB-IoT芯片可以做得很小，芯片成本往往和芯片尺寸相关，尺寸越小，成本越低，模块的成本也随之变低。
图2
02数据采集协议标准化
青岛能源热电集团热表品牌杂乱不一，数据采集系统品牌繁多，管理相对困难，只有对数据采集的方式和渠道进行规范，才能够快速、准确抓取有效数据，并有效降低数据异常、数据滥用所带来的一系列危害，从而为企业实现数字化、智能化转型创造有利条件。
据了解，数据自动采集系统从底层向上分为下位机、传输网络、上位机三个层次，上位机通过传输网络与下位机交换数据、发起和应答指令，我们通过拟定数据采集标准化协议，打通整个数据传输过程，也就是无论热表是何品牌、采集器是何品牌，都能完成数据的快速、准确传输。截止目前青岛能源热电集团已完成了采集器及上位抄表软件接口的开发及测试，制定了交叉测试方案，通过交叉测试的方式，相互验证各远传系统厂家的采集器、上位软件接口开发效果及稳定性，取得了很好效果。
03结论
数据采集的标准化、规范化，不仅需要依靠扎实的技术手段作后盾，更需要设备、平台和系统的配合运用。充分调动多种因素，把技术、制度的作用放大，将有助于企业管理者明确数据采集、应用、分享的界限所在，从而在合规范围内使用计量数据进行生产运行分析。
另外，随着智能热表应用持续增长和全球物联网技术迅猛发展，智能热表以及各仪表行业迎来了NB-IoT新的发展机遇。
下一步青岛能源热电集团将深入实地考察，针对开放式管道井或管道井封闭管理较差的供热计量小区试点，通过引入NB-IoT无线网络传输方式以及通讯协议标准化采集实现降低采集故障率以及分户计量数据采集标准化工作，更好地发挥平台对生产运行的指导作用。
文章相关
本篇文章选自《环球表计》2022年下半年刊
文章题目：《户用热表物联网技术的研究与应用》
作者：青岛能源热电集团有限公司 丁美双/王文均/王春茂
全部评论