田亞雷

（深圳市愛思強(qiáng)科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

早期的智能水表采用的是有線通信方式，以M-Bus 智能水表為例，在我國的應(yīng)用大致始于2010 年，并且主要用于新建樓盤，這是因?yàn)檫h(yuǎn)程抄表系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的布線，而老舊小區(qū)的改造難度太大，正因如此，采用無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的智能水表進(jìn)入人們的視野。無線通信在智能水表中的應(yīng)用最早以短距離通信技術(shù)為主，但因?yàn)槎叹嚯x通信的覆蓋面較小，面對(duì)復(fù)雜的水表安裝環(huán)境，其整體通信質(zhì)量不佳[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，信息產(chǎn)業(yè)的第三次技術(shù)革命正在發(fā)生[2]。隨后，GPRS、LoRa、NB-IoT 等技術(shù)先后出現(xiàn)在智能水表領(lǐng)域。

GPRS 作為主要的智能水表通信技術(shù)大致始于2013年，GPRS 采用的是授權(quán)頻段，抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)安全性高、傳輸距離長，但信號(hào)的穿透性較差，覆蓋不到較深位置的水表。同時(shí)，GPRS 通信能耗大，運(yùn)營成本高，所以基于GPRS 的智能水表前景不好。

LoRa 技術(shù)是在2013 年由SEMTECH 公司推出的一款基于1 GHz 以下的超長距低功耗的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。LoRa 采用線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送，也不會(huì)相互干擾，對(duì)通信深度衰落和多普勒頻移具有更好的穩(wěn)定性[3]。LoRa 網(wǎng)絡(luò)主要由終端、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和云4 個(gè)部分組成。在企業(yè)級(jí)LPWAN（Low-Power Wide-Area Network）項(xiàng)目中，較大的難題是LoRa 基站的部署，并且需要運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣域網(wǎng)傳輸。LoRa 基站的部署受現(xiàn)場施工條件的限制，如果現(xiàn)場沒有電源供電或者沒有運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)接入，都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本增加、施工困難、維護(hù)不易等問題發(fā)生。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，LoRa 只負(fù)責(zé)PHY（物理層）和MAC 層的協(xié)議定義，LoRa 芯片只支持射頻功能，另外需要額外增加一顆芯片來實(shí)現(xiàn)LoRa 協(xié)議，因此，終端開發(fā)的硬件和軟件的投入成本都會(huì)很大。

NB-IoT 技術(shù)成熟于2016 年，其是基于低速廣域物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì)的，不再受限于3G、4G 等公共通信網(wǎng)絡(luò)，僅借鑒了4G 設(shè)計(jì)的部分參數(shù)。NB-IoT 技術(shù)可以較好地滿足大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求，采用半雙工模式，信令處理簡單。NB-IoT 智能水表系統(tǒng)的組成主要有 5 個(gè)部分，即水表（NB-IoT 通信模組的）、通信基站、服務(wù)器、云平臺(tái)和管理軟件[4]?；镜牟渴穑?wù)器云平臺(tái)的搭建，往往會(huì)增加大量的成本，在電池供電的應(yīng)用場合，NB-IoT 能耗偏高，智能水表的使用壽命往往很難達(dá)到預(yù)期的要求。

如今低成本低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，在這樣的背景下，WM-Bus 技術(shù)的研發(fā)得以實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)可以較好地滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求，隨著WM-Bus 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，基于WM-Bus 的實(shí)際應(yīng)用將會(huì)更廣。

1 WM-Bus的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 物理層

物理層支持的頻譜有169 MHz、433 MHz 和868 MHz，數(shù)據(jù)信息的上行和下行均需要用到調(diào)制調(diào)解器如FSK、GFSK、4GFSK。在載波應(yīng)用方面，主要采用了曼徹斯特編碼、NRZ（Non-Return-to-Zero Code）編碼和6 選3 的編碼方式，在低速率方面有很大優(yōu)勢(shì)。

1.2 鏈路層

鏈路層主要有2 種數(shù)據(jù)格式，即格式A 和格式B，可以通過檢測(cè)同步碼和同步碼序列來判斷具體格式。格式A和格式B 主要由3 個(gè)部分組成，分別是First block、Second block 和Optional block。First block 包含了終端設(shè)備必要的控制信息和地址信息，Second block 和Optional block 為用戶的私有數(shù)據(jù)。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要用來區(qū)分不同的設(shè)備和實(shí)際的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，WM-Bus 協(xié)議?？梢詰?yīng)用在水表、電表、氣表、熱表以及各種傳感器上，并通過Device Type 域來區(qū)分不同的設(shè)備。

1.4 組網(wǎng)

WM-Bus 只支持主從模式，因此在組網(wǎng)上只支持星型網(wǎng)絡(luò)。從模塊一般為終端，也可以是不同行業(yè)具備物聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備。主模塊一般為中心節(jié)點(diǎn)，主要控制終端設(shè)備、接收終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.5 工作模式

WM-Bus 支持的模式有T、S、C、R2、N、P、Q 和F等模式，其中T、S、C 是應(yīng)用最廣的模式，每種模式與物理層以及鏈路層協(xié)同工作。以T 模式為例，T 模式分為2 種模式，即T1 和T2 ，T1 是單向通信模式，只有上行通信，當(dāng)終端向中心節(jié)點(diǎn)上報(bào)一組數(shù)據(jù)后，立刻進(jìn)入休眠。T2 為雙向通信，即上行和下行，當(dāng)終端向中心節(jié)點(diǎn)上報(bào)一組數(shù)據(jù)后，進(jìn)入短暫的接收模式，超時(shí)之后立即進(jìn)入低功耗模式。

2 WM-Bus在智能水表中的應(yīng)用

2.1 WM-Bus智能水表的實(shí)現(xiàn)

WM-Bus 協(xié)議棧支持多種工作模式，為了可以使終端設(shè)備快速上市，可根據(jù)實(shí)際的市場需求實(shí)現(xiàn)其中的一種工作模式即可。如T 模式，終端設(shè)備長期工作在T1 模式，當(dāng)需要對(duì)終端進(jìn)行控制時(shí)，終端切換到T2 模式。中心節(jié)點(diǎn)長期工作在T2 模式，實(shí)時(shí)對(duì)終端設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，WM-Bus 智能水表的實(shí)際應(yīng)用框架如圖1 所示。

圖1 智能水表的應(yīng)用框架

2.2 WM-Bus智能水表的優(yōu)勢(shì)

2.2.1 成本低

WM-Bus 協(xié)議棧在歐洲國家的應(yīng)用很廣，是OMS （Open Metering System）推薦的一種遠(yuǎn)程抄表協(xié)議，其工作在免費(fèi)的頻段，無須運(yùn)營商的支持，因此可以節(jié)省大量的授權(quán)費(fèi)用。在硬件的設(shè)計(jì)上，目前很多國際芯片廠商（如TI、SILICON LABS）為WM-Bus 協(xié)議棧提供了底層支持，開發(fā)容易，縮短了終端設(shè)備的上市時(shí)間。在有電池供電的場合下，終端設(shè)備一般采用T1 模式周期性上報(bào)數(shù)據(jù)，適合walk-by 或drive-by 的抄表方式，只需要增加少量的中心節(jié)點(diǎn)即可滿足要求。

2.2.2 功耗低

終端設(shè)備使用年限長，一般采用T1 模式，其中射頻通信是最主要的能耗部分。能耗的直接表現(xiàn)是消耗的電流大小。根據(jù)公式（1）可以計(jì)算在一個(gè)周期內(nèi)終端設(shè)備消耗的平均電流，公式（2）可以計(jì)算出終端的理論使用壽命。

式中：Iv表示在一個(gè)周期內(nèi)終端消耗的平均電流，Qr表示在一個(gè)周期內(nèi)RF（Radio Frequency）通信消耗的能量，Qs表示一個(gè)周期內(nèi)終端在低功耗模式下消耗的能量，Qa表示在一個(gè)周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集消耗的能量，Qb為供電電池的總?cè)萘?，單位是毫安秒（mAs）。t 表示一個(gè)RF 通信周期，r 為電池容量的有效百分比，Y 表示終端的使用壽命。

表1 中的數(shù)據(jù)基于TI 的CC1310 平臺(tái)，水表為1L/P 類型的水表（1L/P 在這里表示水表每計(jì)量1 L 的水，機(jī)械轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)），電池容量Qb為3 500 mAh ，r = 0.5，即電池的有效容量是標(biāo)稱容量的1/2，通過大量的測(cè)量，可得表1 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1 可知，在一定條件下，終端設(shè)備的使用壽命與RF 通信的周期呈現(xiàn)相關(guān)關(guān)系，RF 通信周期越長，終端的使用壽命越長，反之，終端設(shè)備的使用壽命越短。

3 結(jié)語

隨著智慧城市建設(shè)的加速推進(jìn)，智能水表的應(yīng)用將是水務(wù)管理發(fā)展的必然需求。智能水表的發(fā)展經(jīng)歷了從有線通信方式，再到GPRS、LoRa、NB-IoT、WM-Bus 等無線通信技術(shù)的過程，每種技術(shù)都有自己的特色和適用場景。該文只從終端設(shè)備的成本和使用壽命角度進(jìn)行了研究，沒有考慮其他因素的影響，在未來的研究中，可以綜合其他方面的因素深入研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能水表中應(yīng)用。