物联网-智能抄表项目解决方案
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基于NB-IoT智能水表抄表系统设计与实现摘要:长期以来供水行业在运营管理中存在许多痛点。
目前,大多数供水企业都是通过人工以一两个月甚至更长时间为周期抄读一次水表数据,发现问题的周期长、历史用水状况无法还原,需耗费大量人力物力解决纠纷。
同时,由于水表人工管理周期长,易产生违法用水行为,从而增加了供水企业的产销差,每年由于管网漏损、计量损失、人情水、盗用水、无收益用水等导致的产销差居高不下,直接影响供水企业的经济效益。
针对产销差问题,国内许多供水企业采取了众多防控措施,但由于供水区域大、人工监控成本高、人工管理滞后等原因,产销差控制形势依然严峻,仍高达20%以上。
水表作为供水企业与客户进行贸易结算的重要依据,一旦出现故障或者人工抄录数据错误等情况,也会给客户或供水企业带来损失。
为此许多供水企业开始使用智能水表。
基于此,笔者针对NB-IoT智能水表抄表系统设计与实现相关内容展开论述,以供参考。
关键词:NB-IOT;远程抄表;智能水表1基于NB-IoT的智能水表系统架构基于NB-IoT的智能水表按照端、管、云的系统架构来建设,从下到上依次为终端层、网络层(包括基站侧的无线接入网和核心网)、IoT平台和水务应用层,如图1所示,通过物联网、云计算、大数据等技术将各个层面整合为一体,以满足未来演进的需求。
图1基于NB-IoT的智能水表系统架构NB-IoTUE:系统终端其内部集成NB-IoT标准模组,可以通过空中接口连接到NB-IoTBTS(基站)。
终端作为物联网的基础载体,通过增加用于水质监测、水压监测、流量监测等的传感器、NB-IoT通信模块使得终端可控、可管、可互通,由原有的哑终端逐步向智能终端演进。
NB-IoTBTS:主要承担空口接入处理、小区管理等相关功能,并通过S1-lite接口与NB-IoT核心网进行连接,将来自终端的非接入层数据转发给高层网元处理。
NB-IoTBTS可以独立组网,也可以与FDD-LTE融合组网。
NB-LOT物联网智能水表一.远景优势挪动通信正在从人和人的连结,向人与物以及物与物的连结迈进,万物互联是必定趋向。
但是目前的 4G 网络在物与物连结上能力不足。
事实上,对比蓝牙、ZigBee 等短距离通信技术,挪动蜂窝网络具备广覆盖、可挪动以及大连结数等特征,能够带来更为丰富的应用处景,理应成为物联网的主要连结技术。
作为 LTE 的演进型技术, 4.5G 除了拥有高达 1Gbps 的峰值速率,还意味着鉴于蜂窝物联网的更多连结数,支持 M2M 连结以及更低时延,将助推高清视频、 VoLTE 以及物联网等应用迅速普及。
蜂窝物联网正在开启一个亘古未有的广阔市场。
关于电信营运商而言,车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生连结,远远超出人与人之间的通信需求。
NB-LOT 具备四大特色:一是广覆盖,将供给改良的室内覆盖,在相同的频段下,NB-IOT 比现有的网络增益20dB ,相当于提高了 100 倍覆盖地区的能力;二是具备支撑连结的能力,NB-IoT 一个扇区能够支持10 万个连结,支持低延时敏感度、超低的设施成本、低设施功耗和优化的网络架构;三是更低功耗,NB-IOT 终端模块的待机时间可长达10 年;四是更低的模块成本,公司预期的单个接连模块不超出 5 美元。
NB-IOT 聚焦于低功耗广覆盖( LPWA )物联网( IOT )市场,是一种可在全世界范围内宽泛应用的新兴技术。
其拥有覆盖广、连结多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特色。
NB-IOT 使用 License 频段,可采纳带内、保护带或独立载波三种部署方式,与现有网络共存。
因为 NB-IOT 自己具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势,使其可以宽泛应用于多种垂直行业,如远程抄表、财产追踪、智能泊车、智慧农业等。
包含我国营运商在内诸多营运商在展开NB-IOT 和研究。
就 NB-IOT 的发展现状,余泉详尽论述了三个出色看法:一是NB-IOT 是蜂窝家产应付万物互联的一个重要时机。
物联网解决方案引言概述:物联网(Internet of Things, IoT)是指通过互联网连接各种物理设备,实现设备之间的信息交互和数据共享。
随着物联网的发展,越来越多的企业和个人开始关注如何应用物联网技术来解决实际问题。
本文将介绍五个物联网解决方案,包括智能家居、智慧城市、智能农业、智能制造和智能物流。
一、智能家居:1.1 自动化控制系统:通过物联网技术,将家居中的各种设备连接到云平台,实现智能化的远程控制和管理,如智能灯光、智能窗帘、智能家电等。
1.2 安全监控系统:利用物联网技术,实现家庭安全的智能监控,包括智能门锁、智能摄像头、烟雾报警器等,通过手机App可以实时监控和控制家庭安全。
1.3 能源管理系统:通过物联网技术,实现家庭能源的智能管理,包括智能电表、智能插座、智能家电等,可以实时监测和控制能源的使用情况,达到节能减排的目的。
二、智慧城市:2.1 智能交通系统:通过物联网技术,实现交通设施的智能化管理,包括智能交通信号灯、智能停车系统、智能公交车站等,提高交通效率和减少交通拥堵。
2.2 环境监测系统:利用物联网技术,实现城市环境的智能监测,包括空气质量监测、噪音监测、水质监测等,通过数据分析和预警系统,改善城市环境质量。
2.3 智慧公共服务:通过物联网技术,实现公共服务的智能化管理,包括智能公厕、智能垃圾桶、智能公园等,提高公共服务的效率和质量。
三、智能农业:3.1 精准农业管理:通过物联网技术,实现农田的智能化管理,包括土壤湿度监测、气象监测、农作物生长监测等,通过数据分析和预警系统,提高农作物产量和质量。
3.2 智能灌溉系统:利用物联网技术,实现农田的智能灌溉,通过监测土壤湿度和气象条件,自动控制灌溉系统,减少水资源的浪费。
3.3 养殖智能化管理:通过物联网技术,实现养殖场的智能化管理,包括养殖环境监测、饲料供给管理、疾病预防等,提高养殖效率和动物健康。
四、智能制造:4.1 物联网生产线:利用物联网技术,实现生产线的智能化管理,包括设备状态监测、生产数据采集、生产过程优化等,提高生产效率和产品质量。
物联网行业智能化设备与数据分析方案第1章物联网智能化设备概述 (3)1.1 设备分类与特点 (3)1.1.1 设备分类 (3)1.1.2 设备特点 (3)1.2 设备发展历程 (3)1.3 设备发展趋势 (4)第2章物联网设备数据采集与传输 (4)2.1 数据采集技术 (4)2.1.1 传感器技术 (4)2.1.2 数据采集模块 (5)2.1.3 数据预处理 (5)2.2 数据传输协议 (5)2.2.1 HTTP/协议 (5)2.2.2 MQTT协议 (5)2.2.3 CoAP协议 (5)2.3 数据安全与隐私保护 (5)2.3.1 加密技术 (6)2.3.2 认证技术 (6)2.3.3 权限控制 (6)2.3.4 数据脱敏 (6)第3章物联网数据分析基础 (6)3.1 数据分析概述 (6)3.2 数据预处理 (6)3.3 数据分析方法 (7)第4章设备故障诊断与预测 (7)4.1 故障诊断方法 (7)4.1.1 信号处理方法 (8)4.1.2 机器学习方法 (8)4.1.3 模型驱动方法 (8)4.2 预测性维护 (8)4.2.1 基于统计模型的预测性维护 (8)4.2.2 基于机器学习的预测性维护 (8)4.2.3 基于模型驱动的预测性维护 (8)4.3 故障诊断与预测案例分析 (9)第五章设备功能优化与智能调控 (9)5.1 功能优化方法 (9)5.1.1 硬件升级 (9)5.1.2 软件优化 (9)5.1.3 网络优化 (9)5.2 智能调控策略 (10)5.2.1 自适应调控 (10)5.3 实际应用案例分析 (10)5.3.1 智能照明系统 (10)5.3.2 工业设备监控与优化 (10)第6章设备健康管理 (11)6.1 设备健康评估 (11)6.1.1 概述 (11)6.1.2 设备健康评估方法 (11)6.1.3 设备健康评估应用 (11)6.2 设备寿命预测 (11)6.2.1 概述 (11)6.2.2 设备寿命预测方法 (12)6.2.3 设备寿命预测应用 (12)6.3 设备健康管理平台 (12)6.3.1 概述 (12)6.3.2 设备健康管理平台功能 (12)6.3.3 设备健康管理平台应用 (13)第7章物联网行业应用案例 (13)7.1 智能制造 (13)7.2 智能交通 (13)7.3 智能家居 (14)第8章物联网数据分析平台建设 (14)8.1 平台架构设计 (14)8.1.1 架构概述 (14)8.1.2 数据采集层 (14)8.1.3 数据传输层 (14)8.1.4 数据处理层 (15)8.1.5 数据存储层 (15)8.1.6 数据挖掘与分析层 (15)8.1.7 应用展示层 (15)8.2 关键技术研究 (15)8.2.1 数据采集与传输技术 (15)8.2.2 数据预处理技术 (15)8.2.3 数据存储与检索技术 (15)8.2.4 数据挖掘与分析技术 (15)8.2.5 可视化技术 (15)8.3 平台建设与实施 (16)8.3.1 需求分析 (16)8.3.2 系统设计 (16)8.3.3 系统开发 (16)8.3.4 系统测试 (16)8.3.5 系统部署与运维 (16)第9章物联网安全与隐私保护 (16)9.1 安全威胁与挑战 (16)9.3 隐私保护策略 (17)第十章物联网行业发展趋势与展望 (17)10.1 行业发展趋势 (17)10.2 技术创新与应用 (18)10.3 发展前景与挑战 (18)第1章物联网智能化设备概述1.1 设备分类与特点1.1.1 设备分类物联网智能化设备是指能够通过网络进行数据传输、处理和智能控制的物理设备。
- 10 -高 新 技 术0 引言 早期的智能水表采用的是有线通信方式,以M-Bus 智能水表为例,在我国的应用大致始于2010年,并且主要用于新建楼盘,这是因为远程抄表系统需要进行大量的布线,而老旧小区的改造难度太大,正因如此,采用无线通信技术设计的智能水表进入人们的视野。
无线通信在智能水表中的应用最早以短距离通信技术为主,但因为短距离通信的覆盖面较小,面对复杂的水表安装环境,其整体通信质量不佳[1]。
随着物联网技术的兴起,信息产业的第三次技术革命正在发生[2]。
随后,GPRS、LoRa、NB-IoT 等技术先后出现在智能水表领域。
GPRS 作为主要的智能水表通信技术大致始于2013年,GPRS 采用的是授权频段,抗干扰能力强、信号安全性高、传输距离长,但信号的穿透性较差,覆盖不到较深位置的水表。
同时,GPRS 通信能耗大,运营成本高,所以基于GPRS 的智能水表前景不好。
LoRa 技术是在2013年由SEMTECH 公司推出的一款基于1 GHz 以下的超长距低功耗的数据传输技术。
LoRa 采用线性扩频调制技术,不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送,也不会相互干扰,对通信深度衰落和多普勒频移具有更好的稳定性[3]。
LoRa 网络主要由终端、网关、服务器和云4个部分组成。
在企业级LPWAN (Low-Power Wide-Area Network)项目中,较大的难题是LoRa 基站的部署,并且需要运营商的网络进行广域网传输。
LoRa 基站的部署受现场施工条件的限制,如果现场没有电源供电或者没有运营商网络接入,都会导致网络建设的成本增加、施工困难、维护不易等问题发生。
在产品设计方面,LoRa 只负责PHY(物理层)和MAC 层的协议定义,LoRa 芯片只支持射频功能,另外需要额外增加一颗芯片来实现LoRa 协议,因此,终端开发的硬件和软件的投入成本都会很大。
NB-IoT 技术成熟于2016年,其是基于低速广域物联网而设计的,不再受限于3G、4G 等公共通信网络,仅借鉴了4G 设计的部分参数。
智能水表远程抄表原理智能水表远程抄表原理解析什么是智能水表远程抄表?智能水表远程抄表是一种利用物联网技术实现的远程抄表系统。
它通过无线通信技术,将水表抄表数据传输到远程服务器进行处理和管理,代替了传统人工抄表的方式,极大地提高了抄表的效率和准确性。
工作原理智能水表远程抄表系统的工作原理主要包括以下几个步骤:1.数据采集:智能水表内置传感器,能够实时监测水表的用水情况,并生成相应的抄表数据。
2.数据传输:智能水表内置无线通信模块,将抄表数据通过无线信号传输到远程服务器。
常用的无线通信技术包括GPRS、NB-IoT和LoRa等。
3.数据处理:远程服务器接收到水表发送的抄表数据后,进行数据处理和存储。
服务器可以使用自动化软件系统对数据进行处理,如存储、分析和统计等。
4.数据管理:远程服务器可将抄表数据与用户信息进行关联和管理,实现对每个用户的用水情况进行监测和分析。
用户可以通过手机APP或网页等方式查看自己的用水情况和历史记录。
优势和应用智能水表远程抄表系统相比传统的人工抄表方式,具有以下优势和应用:1.提高抄表效率:智能水表能够实时生成抄表数据,并通过无线通信技术快速传输,节省了人工抄表的时间和成本。
2.提高数据准确性:智能水表采用自动化技术进行数据采集和处理,避免了人为因素对数据的干扰和误差,提高了抄表的准确性。
3.环保节能:智能水表通过监测用水情况,帮助用户合理使用水资源,减少浪费,达到节约水资源的目的。
4.远程管理:远程服务器能够对用户的用水情况进行实时监测和分析,实现远程管理和断水提醒等功能,方便用户管理和控制用水。
5.应用广泛:智能水表远程抄表系统适用于各类用水场景,包括住宅小区、商业楼宇、工业企业等,具有广泛的应用前景。
总结智能水表远程抄表系统是一种利用物联网技术实现的高效、准确的抄表方式。
它通过无线通信技术,将水表抄表数据传输到远程服务器进行处理和管理,提高了抄表效率和数据准确性。
此外,智能水表远程抄表系统还具有环保节能和远程管理的优势,适用于各类用水场景。
远程抄表的人工智能设计随着物联网技术的不断发展,远程抄表已经成为现代化城市管理的重要环节。
传统的人工抄表方式效率低下,容易出错,耗费人力物力。
为了解决这个问题,人工智能技术逐渐应用于远程抄表领域。
人工智能设计是一种将智能算法应用于问题求解的技术,它能够通过学习和适应,提高抄表的准确性和效率。
在远程抄表的人工智能设计中,主要包括以下几个方面:一、智能化设备远程抄表的人工智能设备主要包括智能电表和智能抄表器。
智能电表可以通过传感器获取用电数据,并通过无线通信方式将数据发送到监控中心。
智能抄表器可以通过语音识别技术识别用户的抄表数据,并自动上传到系统。
这些设备能够实现自动抄表、无人值守,提高抄表的准确性和效率。
二、数据处理远程抄表的人工智能设计需要对大量的数据进行处理和分析。
需要对抄表数据进行清洗和校验,排除因电表故障、通信故障等原因导致的数据异常。
需要对抄表数据进行分类和聚类分析,以便判断用户的用电情况和用电特点,为城市管理和用电监测提供参考依据。
还需要对抄表数据进行存储和备份,以便后续的数据查询和分析。
三、智能算法远程抄表的人工智能设计需要运用智能算法对数据进行处理和分析。
智能算法可以通过数据挖掘技术,发现数据中的隐藏规律和关联性。
可以通过关联规则挖掘用户的用电习惯和生活方式,为用电管理和计费提供策略建议。
智能算法还可以通过机器学习技术,从大量的历史数据中学习和预测用户的用电情况,为能源规划和供需调控提供决策依据。
四、安全保障远程抄表的人工智能设计需要保障数据的安全。
需要对数据进行加密和传输,防止数据被非法获取和篡改。
需要建立完善的权限管理系统,确保只有授权人员可以访问和使用数据。
还需要建立数据备份和恢复机制,以防止因系统故障或意外情况导致数据的丢失。
远程抄表的人工智能设计能够提高抄表的准确性和效率,为城市管理和用电监测提供科学依据和决策支持。
随着人工智能技术的不断发展和应用,相信远程抄表将会越来越智能化,为城市建设和生活带来更多的便利和效益。
一、应用需求
在抄表系统的信息化过程中,户表数据的自动抄送具有十分重要的意义,也是行业单位迫切想要解决的问题,因为数据抄送的准确性、及时性,直接影响抄表系统的信息化水平、甚至管理决策、经济效益。
传统的手工抄表费时、费力,准确性和及时性得不到可靠的保障,这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据;一般人工抄表都按月抄表,对于用户计量来说是可行的,但对相关供应部门进行更深层次的分析和管理决策却不够,行业的实际需求催生着自动抄表系统的技术和应用的不断发展。
随着无线通信技术的不断发展,近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术,称之为Zigbee,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网,我们采用Zigbee技术和GPRS/CDMA技术结合,可以为无线抄表提供很好的解决方案。
二、技术要求
无线抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求,即数据可靠性要求很高;由于供电局限性(主要指水表、气表),因此对功耗要求也很苛刻;无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法,利用数据通讯协议传输数据;基于以上原因,要求设计的自动无线远传抄表系统应该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等远程抄表系统的优点,以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。
同样是无线抄表系统,相对于电表而言,水表、气表的抄表系统存在更多的技术难题,这主要体现在抄表终端的设计上,归纳起来,水表、气表的抄表终端必须解决以下几个方面的技术要求:
◆供电
由于水表、气表的抄表终端采用电池供电,因此,对功耗要求非常苛刻,一般而言,电池的使用时间至少要在3~6年,这取决于电池的容量、设备的耗电情况、设备的运行要求等等因素。
◆成本
无论是家庭用户,还是企业用户,抄表终端的成本始终是绕不开的话题,特别是家庭用户,对于成本更为敏感。
这里的成本包括两个部分:第一,一次性改造或者安装的成本;第二,系统的运行成本。
最好的方案应当是一次性投入的成本尽可能低,运行成本没有或者非常低。
◆对表的故障检测
人工抄表除了抄读表的读数外,同时还担负着检查表工作是否正常的任务。
如果改为自动抄表系统,那么该系统应当也具备对表故障的自动检测功能。
当然,这需要表与抄表终端的配合才能实现。
◆通信可靠性
这是无线抄表系统的最基本的要求,但同时又是不很容易解决定问题。
◆无线网络的自组织、自愈功能
●自组织:无需人工干预,网络节点能够感知其他节点的存在,并确定连接关系,组成结构化的网络;
●自愈功能:增加或者删除一个节点,节点位置发生变动,节点发生故障等等,网络都能够自我修复,并对网络拓扑结构进行相应地调整,无需人工干预,保证整个系统仍然能正常工作。
●具备自组织、自愈能力的自动抄表网络才是最理想的网络,Zigbee技术能够很好地
支持这种智能型的网络。
三、基于Zigbee技术的无线抄表系统
通过前面对自来水抄表系统的技术要求分析,结合Zigbee技术特点和技术优势,采用Zigbee技术来实现水表的无线抄表是一个非常理想的解决方案。
在实际应用中,我们选择了将Zigbee技术与GPRS/CDMA结合起来,根据抄表用户的不同分布,来灵活地构建抄表的无线网络。
◆对于每个抄表终端而言,要求超低功耗、低成本(包括设备成本、运行成本),并且数据传输速率不高,对于居民小区抄表,抄表终端通常分布较密集、距离较近,Zigbee技术可以很好地满足这些要求;
◆终端采集的数据需要送到自来水公司的集抄管理中心,这可以通过GPRS/CDMA网络来实现,它无距离限制,且无需网络规划、几乎不需要维护;
◆所构建的Zigbee网络既可以是星形拓扑,也可以是网状网络拓扑,不论是哪种拓扑结构的Zigbee网络,根据实际组网需要,设计合理的网络结构。
Zigbee无线自来水表抄表系统解决方案—系统拓扑图
●采用MESH网状网络结构,保证数据传输的可靠性
●每幢单元楼设置一个Zigbee远端节点
●一个小区设置一个Zigbee中心节点
●Zigbee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心
Zigbee自来水抄表系统--单元楼结构图
●每楼层水表通过RS485总线连接Zigbee远端节点
●每幢单元楼设置一个Zigbee远端节点,负责数据收发或作路由器
●Zigbee远端节点上传到Zigbee中心节点
四、Zigbee技术方案优势
目前的自动抄表系统,从数据传输角度划分,可分为有线、无线两大类,这两大类抄表系统各有其适用的应用领域,但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言,无线抄表系统显然具有更大优势。
目前市场上的无线抄表系统大致可分为基于无线数传模块、基于GPRS/CDMA数字蜂窝网络、或者是二者结合等几种方式,从应用角度而言,都存在以下一种或几种问题:
◆使用成本较高
GPRS/CDMA数据传输需要付费,对于家庭水表抄表来说,系统的运行成本很高;
◆网络的自管理能力有限
采用无线数传模块,除了数据轮询时间随节点数增加而线形增加外,所组建的无线网络的自管理功能非常有限,增加或者减少节点,都需要人工去修改相应的数据库配置;节点出现故障,也常常需要人工去诊断等等;抄表终端的供电问题难以很好地解决,由于抄表终端难以做到极低功耗,所以供电问题始终是一个瓶颈。