陈海华，王 洋，柴华芳，毛德兴，陈富光

（宁波水表（集团）股份有限公司，浙江 宁波 315032）

0 引言

水表的发展是技术长期演进，不断完善的过程。由于社会进步和人们生活水平的提升，传统机械水表已经无法满足日益增长的用水计量多样性的需求，并且传统机械水表存在需要耗费大量人力手动抄表，人工成本高，无法监控用水情况等缺点，因而机械水表逐步发展到带电子装置的机械水表，再到仍在不断迭代的电子水表。

水表产品已不仅是单一的用户用水计量仪器，而是在计量准确的基础功能上，附加了对水务信息感知和采集的功能，在水计量仪器的基础上更成为了供水管网中不可或缺的一环[1]。智能水表可自动抄表，具有提高数据准确性，减少人力抄表造成的资源浪费并提升工作效率，周期自动上报数据等显著优势。目前基于NB-IoT 的智能水表被广泛使用，实现了便捷抄表，采集各种数据及远程控制阀门等功能，但其局限性在于覆盖还主要集中在城市，信号还不够稳定及只能传输少量数据等。因此，针对以上不足，提出了基于CAT.1 的无线远传水表的设计方法。与NBIoT 网络相比，CAT.1 无论是在网络覆盖范围，还是在数据传输速度和低延迟方面均有明显优势，其不仅可以传输更大的数据，而且在4G 覆盖的区域均可应用。

1 无线远传水表技术的发展

随着无线远传技术的不断发展，水表被赋予了更多的意义，对用户用水量的记录成为水表的一项基本功能，而对用户水务信息的采集和管理成为一项重要进阶功能，比如漏损的监控与报警，对数据的存储和处理等。无线远传水表中最重要的部分之一即为数据传输方式。数据传输方式从有线传输发展到如今的无线远传，逐渐解决了有线传输建设费用高昂，发生问题时很难找到故障点，新增终端设备时需要对线路进行重新规划并布线，浪费大量人力和物力的缺点[2]。无线传输水表的数据传输的发展经历了从GFSK、GPRS、LoRa 等，再到近年被广泛使用的NB-IoT网络的过程。近年应用广泛的数据传输方式及特点见表1。

表1 数据传输方式对比Table 1 Comparison of data transmission methods

NB-IoT 作为物联网中低速传输场景被广泛应用的技术，相较其它几种传输方式具有组建方便，部署灵活的优势，有良好的扩展性和适应性，传输速率可支持120kbps以上，完美适配低速率传输的市场需求。其具有海量连接的特性，NB-IoT 可保证在同一个基站的前提条件下，接入数量是上述无线传输方式的50 ～100 倍。同时，NBIoT 网络覆盖区域范围广、覆盖能力强，目前在全国的重点城市和乡镇及以上地区已经实现连续覆盖。不仅是为地上的建筑设置物联设备终端接入提供强有力的保障，更能为地面以下的建筑数据传输提供可靠保障[3]。NB-IoT 具有两种节电模式，即PSM 与eDRX，符合其低功耗的特性，适用于供电方式为锂电池且数据传输频次中等的环境，如水表、燃气表、点表等抄表业务类型，此类场景中数据传输的频次一般为一天一次至几天一次[4]。基于NB-IoT 网络的智能水表凭借其链接能力、覆盖范围、芯片成本等优势，逐渐占领了传统机械水表的市场。

然而，目前应用广泛的NB-IoT 网络并不是完美的。它的局限性在于：其低功耗特性致使每次只能传输少量数据；除通信模块外还要支付运营商收取的运营费用；相当一部分区域的NB-IoT 网络覆盖能力无法满足负载2G、3G 加速退网的迁移需求；NB-IoT 仅适用于低速率传输的场景，面对需要中速率传输的场景无能为力，只适用于传送少量数据并且处于固定状态的情况等。因此，基于以上问题，提出了将CAT.X 网络应用于无线远传智能水表这一设计构想，CAT.X 比NB-IoT 在通信能力和网络覆盖方面有明显的优势，可有效解决NB-IoT 网络存在的问题。

2 CAT.1网络

CAT.X 是4G 通信LTE 网络下用户终端类别的一个标准。根据定义，该标准共分为10 个等级，CAT.1 作为匹配中低速率数据传输场景的最低参数配置，适用对低成本有需求的4G 终端设备。

目前，4G 网络基本完成全国覆盖且全面支持LTE CAT.1、CAT.4 终端。CAT.1、CAT.4 通信速率优势明显，其具有速度快，大幅度压缩通信时延，通信能力相对较强的特性，在中、高速无线通信领域发挥着重要的作用，可对现有LTE 网络进行无缝接入，不需要对基站的软硬件进行升级。CAT.1 拥有与CAT.4 相同的毫秒级传输时延，以及支持100km/h 以上的移动速度。但与CAT.4 相比，CAT.1 具有一定的优势。就模组成本而言，CAT.1 进行优化整合，集成程度高，芯片硬件设计构成并不复杂，相关硬件成本不高，相比CAT.4 的成本要低30%；就功耗而言，终端侧的芯片复杂度降低，能够有效降低功耗，CAT.1 模组在空闲模式下和工作模式下，功耗均比CAT.4 降低了50%。LTE CAT.1 具有集合性能优越、功耗低、成本下降等优势，较好适配于中低速传输场景，同时适于对数据传输率和稳定性有需求的物联网终端。

CAT.1 因其集合了传输速率中等、延时低、覆盖范围广、较低成本等特性而占领了三分之一市场。和传统CAT.4 模组相比，CAT.1 具备低成本和低功耗的优势。它拥有与LTE CAT.4 相同的毫秒级传输时延，支持100km/h 以上的移动速度。借助已成熟的4G 产业链，CAT.1 作为低配版4G，价格已经和CAT.4 拉开了差距，具有相当大的成本优势。通信技术特点对比见表2。

表2 通信技术特点对比Table 2 Comparison of communication technology characteristics

3 基于CAT.1的智能水表设计

3.1 功能及设计需求

1）当设备遇到故障时，根据故障类型可及时或在下一次上报时向系统上报故障信息。报警类型含：过流量报警、模块分离报警、磁干扰报警、逆流报警、过流报警等，根据紧要特殊情况可以设置成实时报警。

2）实时的流量信息。例如：正向计量、反向计量、瞬时计量等。数据为每半小时采集1 次，24h 的48 点数据。利用数据处理平台对数据进行分析，并用以各个时段总表与分表的比较。

3）近端对水表参数进行设置。时间可以同步，提高分析的准确与可行性；按需设置适合的数据上传周期，周期越短实时性越好，但是成本也会增加，合适的周期很重要。周期上报可设定为记录每日48 组数据（即半小时采样一次），为分析用水习惯区分高峰和低谷，判断用户室内是否存在漏损情况，以及为区域产销差提供数据支撑。

4）具备可维护性和实用性。可以近端对水表进行升级，读取所需数据；也可以在云平台进行远程操作，随时查询用水数据和水表参数以及开关阀门的控制等。

5）确保与CAT.1 服务平台的稳定快速通信，保证通信安全和数据加密，同时能够适应任何应用场景。

3.2 基于CAT.1的智能水表架构设计

基于CAT.1 网络的磁阻水表硬件部分主要由主控模块单片机、外部CAT.1 传输模块、电源电压检测电路、磁阻模块、电源和电源控制电路组成，并且可以根据水表是否带电动球阀，分为磁阻分体水表和磁阻阀控水表。单片微控制器使用STM32L0 系列单片机，采用专门设计的电源电压检测电路来检测电池电压。智能水表的工作数据通过CAT.1 模块发送给水务公司，因此可以便捷高效地查询水表的用水量、反流阀值，及时间、周期水耗等数据信息。该方案的硬件电路设计图如图1。

图1 方案设计图Fig.1 Scheme design diagram

3.2.1 主控模块单片机

基于水表需要长期使用的这一特性，需要选择一款低功耗的单片机作为主控制部分，故本设计选择STM32L0系列单片机，其工作电压范围为1.65V ～3.6V，可快速从低功耗状态唤醒。该部分主要功能为对电源电路的控制，使其在低电压情况或是流量高于阈值时进行报警；每半小时进行一次数据采集，并通过CAT.1 通讯模块对数据进行上传。

3.2.2 机电转换模块

本设计可采用锁存型磁阻机电转换方式，利用双磁钢配合两个成90°排列的TMR1208 锁存型磁阻，解决了单磁钢不能逆向计数的这一问题。双极磁开关的N 极和S 极转圈，形成一个高低电平的脉冲，两路磁阻组成两个高低电平脉冲，形成四相四态。当双磁钢正向旋转磁阻根据磁场的变化交替产生开关信号时，形成01 00 10 11的脉冲信号；当双磁钢反向旋转时，磁阻产生脉冲信号的顺序发生变化，形成10 00 01 11 的脉冲信号。主控芯片采集这些脉冲信号，以便于判断水流正反方向，实现正、反流计量。其中，输出信号如图2，两个磁阻和磁钢的安装方式如图3。

图2 输出信号Fig.2 Output signal

同时，为使占空比不受磁场的影响，让水流量的计量更加准确，锁存型磁开关传感器输出的方波占空比越近似于0.25，计量效果越好。此时，采用如图3（右）所示的方法摆放磁开关传感器，将其置于磁钢旋转的圆周，且最优角度夹角为90°。

图3 安装方式Fig.3 Installation method

3.2.3 电源模块

为电源选择供电电池需要考虑到许多问题，如针对水表的应用场景，水表的功能等均会对电池的选择有不同侧重。因此，在选用电池时，需要考虑最大持续放电电流、存储能力、工作温度范围、钝化、安全性等问题。

基于CAT.1 网络的无线远传水表有两种方案：一是选用亿纬ER26500+SPC1520，二是定制SAFT17500×2+太阳诱电锂电池20F。锂亚硫酰氯电池拥有稳定的高工作电压，满足T4 防爆等级，同时拥有非可燃性电解液，长使用寿命，宽工作温度等特点。该电池标称电压为3.6V，标称电量为8.5Ah，最大电流输出为200mA。在数据传输的过程中，由于瞬间电流较大，大于电池的最大电流输出，因而在电路中额外添加电池电容器这一部分，借以保证在CAT.1 通信模块传输数据信息时，能够为其提供所需的电流供应。若电池存储于高温环境，再经历到低温放电时，将会出现电压滞后的现象；当电池过放电时，会有潜在的隐患。因此，在设计时必须要注意截止电压的设计，以避免过度放电存在的隐患，杜绝过度放电而引起爆炸的可能性。

图4 基于CAT.1网络的无线远传水表的数据传输方式Fig.4 The data transmission mode of wireless remote water meter based on CAT.1 network

3.2.4 通讯模块

4G CAT.1 无线通讯模块具备中低速率数据传输、延时短、覆盖范围广、功耗低、芯片封装紧凑等优点，为无线远传水表通信提供了充分保障[5]。水务公司技术人员通过串口在近端，不仅可以对水表的参数进行配置，如设置水表底数、IMEI 号、上报周期、IP 地址、补报次数、表地址号等，还可以对软件进行升级以增加功能。水表根据设置的上报周期和采集频次等，自动进行数据采集并上传到云服务端。云服务器将数据推送至综合抄表平台，管理人员可通过综合抄表平台远程查询水表参数和下发指令进行开关阀操作等。整个过程和上报都建立在CAT.1 无线通讯技术的基础之上[5]。

3.3 基于CAT.1的无线远传水表的优势

基于CAT.1 的无线远传水表采用磁阻传感器采集流量数据，并通过CAT.1 网络对数据进行传输。就功能而言，可实现数据实时远程抄取，最大程度降低水务公司的人力资源成本。通过管理软件设置，无线远传的综合平台可定期查询周期性数据，并进行高低流量的筛选；通过对比前后用水的异常情况，及时发现跑水、漏水等异常情况，有效减少漏损带来的用户损失和资源浪费，避免可能出现的用水纠纷；数据存储30 天，可以为水务公司分析用水情况提供更多数据，对用水量、用水高峰和低谷进行分析和判断，进而根据不同情况采用不同措施，尽量避免水资源浪费和产销差。此外，根据实际需求，可以研发增加相应的功能：如对孤寡老人家庭平日的用水量数据的分析，进而有针对性地设计报警功能等。就通讯模组成本而言，在2G/3G 加速退网的刺激之下，多个地区提出创新激励项目，以激励企业研发CAT.1 芯片、模组、设备，推进研发能力，提升生产水平以供市场需求。大力支持CAT.1 芯片和模组的研发工作，通过推广CAT.1 的应用，达到促进规模化产业以降低芯片成本的效果，目前芯片成本已有大幅度下调。

在数据传输方面，基于CAT.1 的无线远传水表与NBIoT 水表相比，优势在于NB-IoT 受限于数据传输速度和移动速度、时延需求，CAT.1 数据传输速度快，兼具移动性和语音通话功能。CAT.1 支持的终端下行速率最大为10Mbps，上行速率5Mbps，可实现更高性能的连接和更低时延，保障沟通的实时性。CAT.1 适用于中速度应用场景，能传送更大的数据量，因此本设计在集合了NB-IoT水表所具备的功能以外，利用CAT.1 传输数据量大的特点，对其进行了功能的扩展，采集并传输大量相关水务数据信息。NB-IoT 与CAT.1 数据传输性能对比见表3。

表3 NB-IoT与CAT.1对比Table 3 Comparison of NB-IoT and CAT.1

在应用场景方面，基于CAT.1 的无线远传水表与NBIoT 水表相比，优势在于NB-IoT 覆盖还不完善，存在部分地区的NB-IoT 网络覆盖能力无法满足负载2G、3G 加速退网的迁移需求，而CAT.1 可在4G 基站的基础上直接部署LTE 网络完成升级。就产品推广而言，无论国内市场还是在海外市场中，针对未被NB-IoT 网络全面覆盖的区域，由于CAT.1 网络具有覆盖率高，覆盖范围广，适配4G 网络的特性，可将CAT.1 智能水表向其进行大力推广。

4 结束语

智能水表成为了建设智慧水务的一项重要组成部分，其功能的不断完善和数据传输量的增加是一种趋势。无线远传水表在节约人力资源成本、水务信息智慧化管理和水务数据智能化分析方面具有优势，既可提升水务公司的精细化管水、供水管理能力，又可以为智慧水务的建设提供强力的技术支持[6]。

NB-IoT 智能水表已经是一项成熟的项目，有其独特的优势，同样存在一定的局限性。因此，结合国家大力发展的CAT.1 网络技术，提出基于CAT.1 网络的无线远程水表的设计，可以有效地弥补NB 网络存在的短板，降低时延，传输大量水务信息相关数据，应用于NB-IoT 未被覆盖的区域等。同时，针对多样的用户需求和不同的区域限制，4G CAT.1 网络的无线远传水表与NB-IoT 网络的无线远传水表可以互补搭配，应用于需求不同的使用场景。