NB-IoT细分市场：智能表计如何转型？

作者:赵小飞

物联网智库 原创

转载请注明来源和出处

导  读

实际上,公用事业及表计行业的最终目的是数字化转型,为达到这一目的,NB-IoT智能表只是一个手段,而且NB-IoT并非无所不能,围绕NB-IoT这一新的手段,还需要做大量的工作才能实现数字化转型的目的。

2019年10月,基于NB-IoT的燃气表出货量就达到了1000万台,成为全球首个突破千万级NB-IoT连接的智能终端。随着市场教育的不断深入,加上2G/3G减频退网的加快,NB-IoT将在各垂直行业迎来规模化落地。根据中国城市燃气协会的数据,我国目前在线运行的居民燃气表超过2亿台,即使不考虑新增,以10年更换周期计算,平均每年至少有2000万台存量燃气表更新的需求,在这一背景下,智能燃气表依然是NB-IoT规模最大的应用领域之一。

另一方面,目前国内NB-IoT智能水表累计出货量也超过1000万台,成为第二个突破千万级NB-IoT连接的智能终端。我国水表现有保有量在3亿台以上,随着城乡供水一体化、智慧城市的发展,智能水表的渗透率也越来越高,预计年复合增长率达到20%以上。

不过,这一过程还存在一些误区,很多人认为采用NB-IoT就基本上就万事大吉了。实际上,公用事业及表计行业的最终目的是数字化转型,为达到这一目的,NB-IoT智能表只是一个手段,而且NB-IoT并非无所不能,围绕NB-IoT这一新的手段,还需要做大量的工作才能实现数字化转型的目的。经过数年“摸着石头过河”的历程,业界对这一过程的各类难点、痛点有了深入的认识,并围绕着NB-IoT开始形成端到端的解决方案。

2020年10月,在一年一度的北京通信展上,华为联合物联网智库主办了NB-IoT亿发展峰会,相关业内专家透露主流燃气表厂商智能表中NB-IoT的比例达到80%,主流水表厂商智能表中NB-IoT的比例达到60%,标志着NB-IoT在智能抄表这个最大细分市场进入了规模化部署的新阶段。伴随着电信运营商高质量发展的政策落地,几年前的NB-IoT物联卡超低折扣也基本消失,从通信模组厂、智能表厂、公用事业单位到电信运营商都在重新审视及定位,摆在眼前的理想与现实之间巨大的差距。

公用事业端到端的变革:以5G为起点,任重而道远

今年7月,NB-IoT正式成为5G标准之一,加速传统表计向联网智能表的更新,但对于公用事业公司和用户来说,这不仅仅是把传统机械表换成联网智能表,而是涉及到大量端到端系统的改造和生产经营模式的变革。从端到端的系统来看,智能表计形成端、管、云的系统大幅度改变。

(1)终端侧:从通用模组集成到智能板卡的升级

多年来,水电气表是公用事业公司的核心计量工具,计量的精度和准确度是传统表计厂商的竞争力所在。具有远传功能的智能表需要在传统基表基础上集成一块专门的智能板卡才能实现,以NB-IoT智能表为例,这块智能板卡中必须有专门的NB-IoT通信模组,根据实际需求还会集成处理器、传感器、天线、红外、蓝牙、按键、显示屏、安全芯片、Sim卡槽等功能组件以及其他外设。仅通信功能一项也并非NB-IoT就能包打天下,很多水表/燃气表部署在楼房的管道井及建筑死角,靠蜂窝物联网基站信号也无法很快满足无缝覆盖要求,很多厂家在实际部署中采用了楼层集中器、短距无线中继等组合办法。

这么一块智能板卡看似和此前手机板卡设计和工艺类似,引来一些独立电子产品设计公司基于此前经验进入该领域。但是,手机毕竟是一个独立、标准化的产品,完成了板卡核心要素的设计就能实现,而智能表计中基表也是核心要素,这是一个专业性壁垒很高的领域,智能板卡需要和基表配合设计才能实现相应的功能,而且不同客户对于智能表计的功能需求不同,还需要配合客户进行定制化,因此这并非一个完全独立、标准化的产品。

举例来说,由于具备了无线远传功能,无线数据安全的形势就比较严峻,部分客户可能会要求终端具备安全加密功能;一些场景的智能表计需要对燃气泄漏、恶意拆除进行及时告警,则需要表计终端具有专门的传感器和MCU。所以说,智能表终端开发需要大量工作去做,集成NB-IoT通用模组实现广域连接只是其中一个环节,后续还需要针对性的做很多定制优化的工作,实现从传统非智能表到联网智能表的升级。

(2)管道侧:从无到有、从有到优

对于公用事业公司及表计厂家来说,无线网络并不是一个新的事物,该行业曾经经历过433/ZigBee联网表、2G联网表、LoRa联网表等多种方案,到如今NB-IoT作为主流的通信传输技术,才开始真正大规模部署并提供每天抄报的业务,所以对联网功能的需求也才变成真正的刚需。

公用事业公司对通信管道的要求不会仅限于从无到有,而是要求更好的通信质量以保证智能表无线远传的成功率,因此对于网络覆盖提出了明确的要求。NB-IoT广覆盖、低功耗的特性非常适合水表/燃气表这类低速率、低频、小数据包业务的需求,但从当前来看,NB-IoT网络的覆盖还有很多薄弱的地方,虽然运营商根据需求进行按需建网或者开通上电,但并非所有水表/燃气表安装的场所有达到抄表需求的网络覆盖,尤其是一些终端数量较少的区域,在一定程度上延缓了NB-IoT表计的渗透。

2019年中国计量协会发布的《NB-IoT水表自动抄表系统现场安装、验收与使用技术指南 》团体标准中,明确要求居民区域安装区(空旷区)的路测信号数据 RSRP(CQT)不小于 -105 dBm,SINR(CQT)不低于 0 dB。这些专业指标对于水表/燃气表的行业客户,并不具备专业的通信设技术和人才,只能依赖本地电信运营商来解决。而经历了几年前的低价竞争抢用户之后,电信运营商专门新建基站、投资网络优化的意愿也大大降低,无法快速解决管道侧的覆盖不足问题,引起了实际部署中的不少客户投诉。

基于这一背景,一方面通过低成本的补盲优化手段可以有效解决很多问题,另一方面对三大运营商现有NB-IoT网络资源进行充分整合也能在一定程度上解决问题。前者可以通过增加NB-IoT小基站、引入专网共建共享的形式,低成本快速在终端部署场所形成覆盖,目前已经成为业界的共识;后者可以通过eSIM技术以及异网漫游的形式,让终端在网络覆盖不足的情况下,自动切换至其他有信号的运营商网络,不过这一方式需要终端和平台侧的配合才能实现,终端侧要支持eSIM的设计,更为重要的是由于目前运营商政策的限制,平台侧需要开发具备eSIM写卡功能。

除此之外,可能仍然有少量网络边缘的设备无法实现数据远传,此时可以考虑近距离通信的方式,使公用事业公司人员无需进入用户家中也能实现数据补抄。比如香港中华煤气推出的终端侧集成低功耗蓝牙(BLE)的功能,通过手机直连或MESH多跳形式完成数据上传。

(3)平台侧:生产经营方式变革的关键

与传统方式相比,智能抄表平台也是一个新生事物。对应NB-IoT智能表,水务/燃气公司需要部署连接管理平台、设备管理平台以及表计运营计费平台等平台形态。

一般来说,大型公用事业公司都会开发自有的IoT平台,对表计进行计费和运营,并将第三方提供的连接管理和设备管理功能纳入自有的IoT平台中。不过,大量中小公用事业公司并不具备自行开发IoT平台的资金和人才资源,还是需要第三方机构为其提供低成本且成熟的平台支持。

就以连接为例,正如前文所述,为了实现智能表计数据的有效上传,可能采取了多家电信运营商NB-IoT网络、小基站或专网基站、eSIM空中写卡等方式,要对大量的终端以及多种技术、多形态异构网络进行管理,公用事业公司需要一个统一的平台对所有智能表流量使用状况进行查询和操作,并及时了解各类异构网络状况。

借助NB-IoT智能表的契机,可实现大量中小公共事业公司资产和数据上云,基于此在平台侧采用人工智能、大数据等技术,实现行业生产经营方式的变革,从而达到数字化转型的目标。

作为公用事业运营商,通过终端侧、管道侧、平台侧端到端的变革,传统的水务/燃气公司生产经营模式发生根本变革,不仅仅通过远传替代人工抄表方式、节省了运营成本,更是发挥了数据的价值,让智慧服务、智慧调度、智慧生产得以实现,并基于能源大数据探索创新商业模式。

端到端解决方案,破解公用事业数字化转型痛点

2020年11月,国内规模最大的燃气技术设备展和城镇水务技术博览会分别在成都和杭州举办,参展厂家中除了传统的管道、阀门、表计厂家外,也出现了NB-IoT芯片商、通信模组厂、电信运营商及专业技术服务商等物联网产业链公司。

可以看出,传统公用事业向智能化发展过程中,NB-IoT是一个纽带,围绕这一纽带还需要做大量工作才能实现数字化转型目标。其中,智能模组、通信网络、连接管理平台、设备管理平台等都有很多痛点需要破解,公用事业公司及表计厂家并非这些领域的专家,还需要第三方专业技术服务为行业客户提供从端到云的端到端解决方案,利用新技术和新模式来消除这些痛点。

终端侧智能板卡定制化能力、管道侧低成本快速的提供覆盖、平台侧统一界面管理,赋能公用事业行业数字化的服务商需要综合考虑这三方面的因素。笔者与首次参加燃气技术设备展的一家物联网专业技术服务商信物科技创始人深入沟通后,获悉该公司推出端到端的连接优化服务方案,正是从表计行业端、管、云三方面痛点出发,致力于成为该行业数字化转型快速落地的赋能者。

具体来看,在终端侧该公司推出了专为公用事业物联网业务定制的eSIM安全通信模组,这款模组eSIM功能可实现产线写卡和安装现场写卡能力,解决生产和使用环节终端通信需求;内置的定制MCU集成显示驱动IC,实现基于传感器响应的快速唤醒;而内置的具有MESH功能的BLE芯片,可以实现NB-IoT网络边缘少量终端自组网进行数据回传;另外,面对公用事业数据敏感性越来越高的背景,该模组集成的安全芯片支持新国密标准的密钥运算和存储,实现关键完整性验证和可信身份验证。该通信模组是在某大型燃气公司实际需求基础上进行的定制开发,定义了新的智能燃气表方案板,降低燃气公司整表采购成本近1/3,同时增强了融合通信及安全能力。

在管道侧,针对公用事业用户推出NB-IoT定制白盒基站,可以进行按需部署和混合组网。一方面,在高层建筑、地下室、城乡结合部等NB-IoT网络覆盖不佳但是大量表计部署的区域,利用小基站提供快速的补盲;另一方面,面向偏远农村、厂矿等尚未覆盖的区域提供边缘计算(MEC)+小基站组合,边缘计算网关同时兼具核心网功能,提供本地鉴权和接入服务,直接形成专网覆盖。通过这两类按需部署的方案,基本解决智能表连接的痛点。

在平台侧,将提供一个用户可弹性配置的连接服务平台,实现智能表计所需的通信相关的功能都在同一界面展示和操作,融合了跨运营商的连接管理、不同制式终端管理、通信资源管理、专用网络管理等功能。例如,连接管理已实现了跨网络、跨区域eSIM管理、空中写号等功能;通信资源管理能让用户对自己订购的流量卡资源进行管理操作,形成流量池平台;网络管理包括对专用小基站的管理。

可以预见,随着NB-IoT智能抄表这一目前最大细分市场走向成熟规模商用,越来越多的专业技术挑战需要不同的企业来解决,传统通信行业巨头承担了基础研究和标准化的工作,以及骨干通信网络的升级建设,智能表终端企业也要快速吸收新技术推出产品,公用事业单位最终会走向大数据和人工智能的综合运营,在其中仍有大量的微创新机会留给很多跨界技术创新型企业。

今年5月,工信部发布的《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》中明确提出,“面向能源表计等重点领域,推进移动物联网终端、平台等技术标准及互联互通标准的制定与实施”以及“以能源表计等领域为切入点,助力公共服务能力不断提升”。在公用事业领域推进移动物联网标准和应用的实施,不仅仅是更换一个NB-IoT表计就能实现,而是需要深入该行业,从终端、管道、平台多个环节进行创新、解决痛点,业界需要更多能够提供端到端方案的厂商。