一、智能燃氣表的發(fā)展背景及誕生
燃氣表是燃氣系統(tǒng)的重要組成部分，對燃氣企業(yè)的安全運營、服務質(zhì)量、經(jīng)濟效益等都有著較大的影響。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展以及天然氣階梯氣價政策的實施，新時期燃氣企業(yè)所面臨的入戶抄表、安檢、監(jiān)管、調(diào)價、結(jié)算、事故等問題日益突顯。燃氣企業(yè)一方面要實現(xiàn)發(fā)展盈利的目標，另一方面還應及時、準確地將分散的用戶數(shù)據(jù)采集回企業(yè)，為后續(xù)的經(jīng)營做決策。燃氣計量儀器作為用戶用氣數(shù)據(jù)采集的終端設備，是燃氣企業(yè)實現(xiàn)智能化管理的前提，也是進一步實現(xiàn)大數(shù)據(jù)服務的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的燃氣表顯然已經(jīng)達不到這樣的要求，跨界合作應運而生，借助通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，燃氣儀表在智能化的道路上越走越遠。
一般理解在燃氣基表上加入某些模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制等功能的燃氣表可稱為智能燃氣表。國外的智能燃氣表最早1983年在日本使用，我國的智能燃氣儀表從1995年研制IC卡表開始起步。目前國內(nèi)外在智能燃氣儀表技術(shù)上差距不大，均在物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表階段發(fā)力布局。從智能燃氣儀表的發(fā)展來看，智能燃氣儀表從最初的只能實現(xiàn)預收費和控制功能發(fā)展到目前集數(shù)據(jù)感知、空中儲值、查詢、遠程監(jiān)控、實時預警等功能為一體的過程一共經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：
卡式燃氣表的功能主要體現(xiàn)在兩方面：一是預收費；二是用氣控制。其核心在于購氣卡，用戶與燃氣公司之間的交易以及用戶使用燃氣都是通過購氣卡來體現(xiàn)的，通過設置在燃氣表中的讀卡裝置來對購氣卡數(shù)據(jù)進行讀取，自動調(diào)整燃氣閥門的關(guān)閉與打開。
在卡式燃氣表中，根據(jù)購氣卡類型的差異，可以將其分為IC卡燃氣表、CPU卡燃氣表、射頻卡燃氣表三種?？ㄊ饺細獗砉δ苁滞晟?，主要包括預付費功能、提醒功能、欠費閥門關(guān)閉控制功能、補氣驗證、非法卡識別功能等。通過卡式燃氣表的利用，不僅可以解決傳統(tǒng)入戶收費的弊端，實現(xiàn)了用戶的自動繳費，有效避免用戶欠費問題，提高燃氣使用的安全性。
目前我國最常用的是IC卡燃氣表，其是以膜式燃氣表為計量基表，以IC卡為媒體，加裝電子控制器所組成的一種有預付費功能的燃氣計量裝置。IC卡燃氣表主要由膜式燃氣表(基表)、采集信號單元(量值傳感器、磁鋼)、控制器單元(計費器)、執(zhí)行器(電磁閥等)、媒體(IC卡)、電源組成，其通信模式如圖1。
圖1 IC卡燃氣表的通信模式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
IC卡表具有自動收費功能，一戶一表一卡，用戶將費用交給燃氣銷售部門，銷售部門將購氣量通過計算機管理系統(tǒng)寫入IC卡中，用戶將IC卡再插入IC卡燃氣表中，便可獲得所購燃氣量的使用權(quán)限。在用戶用氣的過程中，IC卡智能表中的微電腦自動核減剩余氣量，所購氣量用盡后便會自動關(guān)閥斷氣，用戶需重新購氣方能再次使IC卡燃氣表開閥供氣。
CPU卡在常規(guī)IC卡基礎(chǔ)上添加CPU智能卡以及嵌入式安全模塊ESAM作為數(shù)據(jù)信息存儲和傳遞的介質(zhì)，大大提升了卡表的信息儲存能力，強化了安全性和抗攻擊性，并可實現(xiàn)CPU卡的金融功能。
射頻卡在基表基礎(chǔ)上加裝微電腦芯片和射頻卡操作系統(tǒng)，以射頻卡為媒介，實現(xiàn)了更多功能，比如：報警提示功能、閥門異常計量功能、防磁干擾功能、一卡多表功能等。
卡式燃氣表盡管實現(xiàn)了計量收費和控制功能，但普遍存在著抗干擾能力差、電源不持久、閥門易故障、卡座易損壞等缺陷；卡式表無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，燃氣公司也無法及時準確的了解用戶用氣量情況；由于無法實時監(jiān)管，容易造成用戶端燃氣事故；如果實施新氣價，卡式表需要人工調(diào)整其計費方式，工作量大，不利于燃氣公司財務及供銷差統(tǒng)計。
我們將卡式表與常規(guī)膜式表進行了對比，如表1所示。
表1 卡式表與膜式表對比
遠傳燃氣表是指具有基表數(shù)據(jù)讀取和遠傳功能的燃氣表，其基表數(shù)據(jù)讀取采集是由數(shù)據(jù)傳感器完成的，再利用無線或有線通訊方式，實現(xiàn)基表讀取數(shù)據(jù)與燃氣公司收費管理系統(tǒng)中心的信息傳輸，從而實現(xiàn)對燃氣表的遠程抄表，在收費管理系統(tǒng)中完成對氣量的計算和費用的結(jié)算。在遠傳燃氣表中，主要是有線遠傳表、無線遠傳表兩種類型。
3.1 有線遠傳燃氣表系統(tǒng)
有線抄表系統(tǒng)主要由燃氣表、采集器和手持機構(gòu)成，其原理如圖2所示。燃氣表通過通信總線與采集器相連，采集器定期采集燃氣表數(shù)據(jù)并存儲于芯片中。工作人員通過手持機讀取采集器中所存儲的燃氣表數(shù)據(jù)并將其上傳到燃氣企業(yè)后臺管理系統(tǒng)。
圖2 有線抄表系統(tǒng)原理
該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程抄讀數(shù)據(jù)、遠程監(jiān)測，有線遠傳表不需電源、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，解決了抄表難、檢測難的問題，但施工布線復雜，施工、安裝、維護成本較高，依然需要配備人員去各采集器中下載數(shù)據(jù)。
3.2 無線遠傳燃氣表系統(tǒng)
無線遠傳表利用短距離無線網(wǎng)絡將燃氣表的計量數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮訑?shù)據(jù)采集器/集中器，采集器/集中器和數(shù)據(jù)中心之間可以選擇GPRS、CDMA、3G或短信的通信方式。短距離無線網(wǎng)路一般采用調(diào)制解調(diào)通信技術(shù)，而智能燃氣表遠程無線技術(shù)中最為常見的有GFSK高斯頻移鍵控技術(shù)和LoRa擴頻技術(shù)。GFSK高斯頻移鍵控技術(shù)是把輸入數(shù)據(jù)經(jīng)高斯低通濾波器預調(diào)制濾波后，再進行FSK調(diào)制的數(shù)字調(diào)制方式。它具有恒幅包絡、功率譜集中、頻譜較窄等特性。LoRa擴頻技術(shù)是一種專用于無線電調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，融合了擴頻技術(shù)、前向糾錯編碼技術(shù)以及數(shù)字信號處理技術(shù)，使其傳輸距離變長，無需中繼器，功耗降低，抗干擾性和安全性也得以提高。
無線智能燃氣表抄表解決方案也分成了三種形式：
（1）無線手持機抄表方案
無線燃氣表通過自身攜帶的無線通信模塊與采集器實現(xiàn)無線通信，采集器定期主動采集燃氣表的數(shù)據(jù)并儲存，工作人員通過手持機與采集器通信將表中的數(shù)據(jù)下載到手持機中。此種抄表系統(tǒng)中的通信方式均為短距離通訊網(wǎng)絡。該技術(shù)僅僅將有線抄表技術(shù)更換成無線通訊，依然需要工作人員定期將數(shù)據(jù)下載到手持機中，比較落后。
圖3 無線手持機抄表系統(tǒng)原理
（2）GFSK遠程集中抄表方案
GFSK遠程集中抄表方案，用集中器代替手持機，進一步減少了人工成本，改善了無線手持機抄表；但集中器的投入以及通信流量費用的產(chǎn)生，造成成本較高。該系統(tǒng)由無線智能燃氣表、數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器構(gòu)成，采用GFSK高斯頻移鍵控技術(shù)實現(xiàn)燃氣表與采集器的通信，其原理如圖4所示。無線燃氣表與數(shù)據(jù)采集器采用短距離通信網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器之間多采用電力載波通信（利用已布置的電線）或一些標準的自組網(wǎng)網(wǎng)絡通信（無線），集中器與燃氣企業(yè)后臺管理系統(tǒng)采用GPRS通信。
圖4 GFSK遠程集中抄表系統(tǒng)原理
（3）LoRa遠程集中抄表方案
LoRa技術(shù)是由全球知名模擬混合信號與半導體供應商Semtech公司發(fā)布的一種專用于無線電調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，融合了數(shù)字擴頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和前向糾錯編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。由于LoRa技術(shù)融合了多項先進技術(shù)，綜合了多種技術(shù)的優(yōu)越性，其最大的特點在于可以在同等功耗下取得更遠的通信距離，無需中繼器，功耗降低，抗干擾性和安全性也得以提高，主要適用于低速率通信，如燃氣表抄表、水表抄表、溫濕度監(jiān)測燈光控制等。
LoRa遠程集中抄表方案，由無線智能燃氣表、數(shù)據(jù)集中器構(gòu)成，主要是利用LoRa所融合的前向糾錯編碼技術(shù)和擴頻調(diào)制技術(shù)，其原理如圖5所示。雖然LoRa技術(shù)比GFSK技術(shù)要性能更優(yōu)，但LoRa射頻芯片的價格比傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的芯片高許多，提高了智能燃氣表的成本，而且存在傳輸速率和傳輸?shù)膶崟r性上較差，通信信息量少等問題，需要進一步發(fā)展。
圖5 LoRa遠程集中抄表系統(tǒng)原理
盡管遠傳式的燃氣表實現(xiàn)了計量收費與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，但普遍來說燃氣表本身并不智能，僅是在普通膜式表的基礎(chǔ)上添加了智能轉(zhuǎn)換模塊。
遠傳燃氣表都存在以下共性問題：
（1）表具仍按體積計量收費，不能按熱值計量收費。
（2）電源問題沒有得到根本解決，還需要電池供電。
（3）智能燃氣表的成本較高，尤其是短信表，這在一定程度上制約了智能燃氣表的推廣及應用。
（4）國家還沒有建立智能燃氣表行業(yè)的統(tǒng)一標準體系，這給產(chǎn)品設計、制造、實驗、驗收、管理等方面帶來諸多不便和影響；系統(tǒng)廠商們的開發(fā)能力參差不齊，行業(yè)內(nèi)同類產(chǎn)品接口及協(xié)議不統(tǒng)一、不兼容，產(chǎn)品形式與功能不規(guī)范。這不但增加了抄表的運營維護成本，而且多種數(shù)據(jù)格式給燃氣公司后續(xù)的賬務平臺處理帶來了諸多的不便。
我們將三種遠傳燃氣表的性能進行了對比，如表2所示。
表2 三種遠傳式抄表系統(tǒng)對比
物聯(lián)網(wǎng)表抄表方案摒棄了短距離、低速率無線網(wǎng)絡，轉(zhuǎn)而采用移動通信網(wǎng)絡。在有人居住的區(qū)域幾乎不存在通信盲區(qū)，通信費用越來越低，通訊可靠、穩(wěn)定和安全得到保證。物聯(lián)網(wǎng)燃氣表是通過移動通信運營商的GSM/GPRS無線公網(wǎng)，以膜式燃氣表為基礎(chǔ)加裝電子控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳及控制的燃氣計量器具。
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)的不同，物聯(lián)網(wǎng)表也細分為兩個領(lǐng)域：GPRS物聯(lián)網(wǎng)表和NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)表。
4.1 GPRS物聯(lián)網(wǎng)表系統(tǒng)
GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以膜式燃氣表為基表，加裝GPRS通信模塊（SIM卡），借助互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)其與燃氣企業(yè)后臺管理系統(tǒng)直接通信，具有雙向?qū)崟r通訊、計量、實時監(jiān)測、實時調(diào)價、實現(xiàn)階梯氣價等功能的新型燃氣計量儀器，如圖6所示。
圖6 物聯(lián)網(wǎng)燃氣表
GPRS（General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務）是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)表遠程抄表系統(tǒng)所采用的GPRS通信技術(shù)分為兩種：GPRS短信方式通信和GPRS流量方式通信。
（1）采用GPRS短信通信的物聯(lián)網(wǎng)表遠程抄表系統(tǒng)
圖7 GPRS短信通信的物聯(lián)網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
GPRS短信通信的物聯(lián)網(wǎng)表通過電信運營商網(wǎng)絡與燃氣企業(yè)后臺管理系統(tǒng)直接交換數(shù)據(jù)，相對于自組網(wǎng)無線通信智能燃氣表，通信穩(wěn)定性高、通信成本低、施工時間短，可以實現(xiàn)遠程抄讀數(shù)據(jù)，可以控制燃氣表的運行及進行遠程監(jiān)測，系統(tǒng)方案如圖7所示；但同時也存在實時性不高、維護升級成本高及電源供電等問題，實現(xiàn)規(guī)模應用仍需技術(shù)突破與創(chuàng)新。
（2）采用GPRS流量通信的物聯(lián)網(wǎng)表遠程抄表系統(tǒng)
GPRS流量通信的物聯(lián)網(wǎng)表直接通過GPRS的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給基站，系統(tǒng)方案如圖8所示。相對于GPRS短信通信，實時性更高、傳輸速度更快；但是也存在著數(shù)據(jù)量傳輸過大，功耗較大，電池不能持久的問題，存在電氣安全隱患且會產(chǎn)生通信費用。
圖8 GPRS流量方式通信的物聯(lián)網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
（3）GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的局限性
相比于一般的具有遠傳功能的智能燃氣表，GRPS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表利用公用網(wǎng)絡，直接與燃氣企業(yè)后臺管理系統(tǒng)進行交互，可以實現(xiàn)用氣量的實時監(jiān)測及燃氣安全的實時監(jiān)控。但GPRS通信技術(shù)應用于智能燃氣表上仍存在SIM卡升級困難、網(wǎng)絡覆蓋范圍存在死角、電氣安全性差等局限性，實現(xiàn)規(guī)模應用仍需技術(shù)突破與創(chuàng)新。計量對象天然氣具有易燃易爆特性，因此對電氣安全的要求較高。GPRS通信方式由于其本身的通信特點，工作電流和發(fā)射功率較大，遠遠超出了燃氣表的技術(shù)標準要求，存在很大安全隱患。
4.2 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)表系統(tǒng)
NB-IoT是指基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things），已成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡的一個重要分支，作為IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，NB-IoT支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應用的新興技術(shù)，使用1GHz以下的授權(quán)頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡共存。
圖9 NB-IoT技術(shù)運用的一般模式
NB-IoT技術(shù)更適合海量連接、廣泛部署，將在以公共事業(yè)（包括城市燃氣）為重點的智慧城市領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
NB-IoT具備五大特點：一是廣覆蓋，將提供改進的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力；二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡架構(gòu)；三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年；四是更低的模塊成本，企業(yè)預期的單個接連模塊不超過5美元。五是功耗低，僅需配備電池，設備就能運行10年以上，且中途無須充電。
對兩種物聯(lián)網(wǎng)表進行了對比，結(jié)果如表3所示。
表3 兩種物聯(lián)網(wǎng)表對比
盡管在技術(shù)上，智能燃氣儀表已經(jīng)實現(xiàn)了越來越多的功能，但目前我國燃氣儀表的市場依然被大多數(shù)中低端的普通膜式表和IC卡表占據(jù)。雖然舊燃氣表更換成智能表的需求潛力巨大，但對燃氣公司而言，大范圍更換燃氣表需要大量資金投入，燃氣表全面升級尚需時日。在現(xiàn)階段，我國多種燃氣表并存的現(xiàn)狀依然要延續(xù)下去。
隨著電子信息技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，燃氣表的智能化和遠程管理及服務成為燃氣表發(fā)展的主要方向，這離不開遠程通信技術(shù)的支撐，遠程通信技術(shù)的發(fā)展水平直接決定燃氣表的智能化和遠程管理及服務的實現(xiàn)效果。
可以預見，未來智能燃氣表將在數(shù)據(jù)高效、實時、準確傳輸，信息安全，能量供給，技術(shù)標準等方面持續(xù)發(fā)力。未來的智能燃氣儀表將具有以下特征：
（1）有更加成熟的數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡功能，可實現(xiàn)實時、雙向傳輸，具有在線自校準的能力。
（2）和國際接軌，不但有階梯計價功能，還具有熱值計量功能，為消費者和燃氣公司提供一個公平的交易平臺。
（3）能與智能（電）網(wǎng)無縫連接，電池只是起到輔助、備用的作用。
（4）在兼容性方面，加入相應的入網(wǎng)協(xié)議，使燃氣企業(yè)用一套控制管理系統(tǒng)可靈活使用各供應商供應的燃氣表，提高燃氣表選擇靈活性及入網(wǎng)運行可靠性。
技術(shù)上的投入需要市場不斷產(chǎn)出，為此，一方面，我們要緊緊抓住技術(shù)前沿，實現(xiàn)燃氣儀表進一步智能化；另一方面，我們要不斷的培育、開拓市場，爭取從政策上、市場上推進智能燃氣儀表的快速應用。
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