一、智能燃气表的发展背景及诞生
燃气表是燃气系统的重要组成部分，对燃气企业的安全运营、服务质量、经济效益等都有着较大的影响。随着经济社会的发展以及天然气阶梯气价政策的实施，新时期燃气企业所面临的入户抄表、安检、监管、调价、结算、事故等问题日益突显。燃气企业一方面要实现发展盈利的目标，另一方面还应及时、准确地将分散的用户数据采集回企业，为后续的经营做决策。燃气计量仪器作为用户用气数据采集的终端设备，是燃气企业实现智能化管理的前提，也是进一步实现大数据服务的关键。传统的燃气表显然已经达不到这样的要求，跨界合作应运而生，借助通讯技术、物联网技术，燃气仪表在智能化的道路上越走越远。
一般理解在燃气基表上加入某些模块，实现数据采集、传输、控制等功能的燃气表可称为智能燃气表。国外的智能燃气表最早1983年在日本使用，我国的智能燃气仪表从1995年研制IC卡表开始起步。目前国内外在智能燃气仪表技术上差距不大，均在物联网智能燃气表阶段发力布局。从智能燃气仪表的发展来看，智能燃气仪表从最初的只能实现预收费和控制功能发展到目前集数据感知、空中储值、查询、远程监控、实时预警等功能为一体的过程一共经历了三个发展阶段：
卡式燃气表的功能主要体现在两方面：一是预收费；二是用气控制。其核心在于购气卡，用户与燃气公司之间的交易以及用户使用燃气都是通过购气卡来体现的，通过设置在燃气表中的读卡装置来对购气卡数据进行读取，自动调整燃气阀门的关闭与打开。
在卡式燃气表中，根据购气卡类型的差异，可以将其分为IC卡燃气表、CPU卡燃气表、射频卡燃气表三种。卡式燃气表功能十分完善，主要包括预付费功能、提醒功能、欠费阀门关闭控制功能、补气验证、非法卡识别功能等。通过卡式燃气表的利用，不仅可以解决传统入户收费的弊端，实现了用户的自动缴费，有效避免用户欠费问题，提高燃气使用的安全性。
目前我国最常用的是IC卡燃气表，其是以膜式燃气表为计量基表，以IC卡为媒体，加装电子控制器所组成的一种有预付费功能的燃气计量装置。IC卡燃气表主要由膜式燃气表(基表)、采集信号单元(量值传感器、磁钢)、控制器单元(计费器)、执行器(电磁阀等)、媒体(IC卡)、电源组成，其通信模式如图1。
图1 IC卡燃气表的通信模式网络结构
IC卡表具有自动收费功能，一户一表一卡，用户将费用交给燃气销售部门，销售部门将购气量通过计算机管理系统写入IC卡中，用户将IC卡再插入IC卡燃气表中，便可获得所购燃气量的使用权限。在用户用气的过程中，IC卡智能表中的微电脑自动核减剩余气量，所购气量用尽后便会自动关阀断气，用户需重新购气方能再次使IC卡燃气表开阀供气。
CPU卡在常规IC卡基础上添加CPU智能卡以及嵌入式安全模块ESAM作为数据信息存储和传递的介质，大大提升了卡表的信息储存能力，强化了安全性和抗攻击性，并可实现CPU卡的金融功能。
射频卡在基表基础上加装微电脑芯片和射频卡操作系统，以射频卡为媒介，实现了更多功能，比如：报警提示功能、阀门异常计量功能、防磁干扰功能、一卡多表功能等。
卡式燃气表尽管实现了计量收费和控制功能，但普遍存在着抗干扰能力差、电源不持久、阀门易故障、卡座易损坏等缺陷；卡式表无法实现数据实时传输，燃气公司也无法及时准确的了解用户用气量情况；由于无法实时监管，容易造成用户端燃气事故；如果实施新气价，卡式表需要人工调整其计费方式，工作量大，不利于燃气公司财务及供销差统计。
我们将卡式表与常规膜式表进行了对比，如表1所示。
表1 卡式表与膜式表对比
远传燃气表是指具有基表数据读取和远传功能的燃气表，其基表数据读取采集是由数据传感器完成的，再利用无线或有线通讯方式，实现基表读取数据与燃气公司收费管理系统中心的信息传输，从而实现对燃气表的远程抄表，在收费管理系统中完成对气量的计算和费用的结算。在远传燃气表中，主要是有线远传表、无线远传表两种类型。
3.1 有线远传燃气表系统
有线抄表系统主要由燃气表、采集器和手持机构成，其原理如图2所示。燃气表通过通信总线与采集器相连，采集器定期采集燃气表数据并存储于芯片中。工作人员通过手持机读取采集器中所存储的燃气表数据并将其上传到燃气企业后台管理系统。
图2 有线抄表系统原理
该系统可以实现远程抄读数据、远程监测，有线远传表不需电源、数据传输稳定，解决了抄表难、检测难的问题，但施工布线复杂，施工、安装、维护成本较高，依然需要配备人员去各采集器中下载数据。
3.2 无线远传燃气表系统
无线远传表利用短距离无线网络将燃气表的计量数据传输到电子数据采集器/集中器，采集器/集中器和数据中心之间可以选择GPRS、CDMA、3G或短信的通信方式。短距离无线网路一般采用调制解调通信技术，而智能燃气表远程无线技术中最为常见的有GFSK高斯频移键控技术和LoRa扩频技术。GFSK高斯频移键控技术是把输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行FSK调制的数字调制方式。它具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄等特性。LoRa扩频技术是一种专用于无线电调制解调的技术，融合了扩频技术、前向纠错编码技术以及数字信号处理技术，使其传输距离变长，无需中继器，功耗降低，抗干扰性和安全性也得以提高。
无线智能燃气表抄表解决方案也分成了三种形式：
（1）无线手持机抄表方案
无线燃气表通过自身携带的无线通信模块与采集器实现无线通信，采集器定期主动采集燃气表的数据并储存，工作人员通过手持机与采集器通信将表中的数据下载到手持机中。此种抄表系统中的通信方式均为短距离通讯网络。该技术仅仅将有线抄表技术更换成无线通讯，依然需要工作人员定期将数据下载到手持机中，比较落后。
图3 无线手持机抄表系统原理
（2）GFSK远程集中抄表方案
GFSK远程集中抄表方案，用集中器代替手持机，进一步减少了人工成本，改善了无线手持机抄表；但集中器的投入以及通信流量费用的产生，造成成本较高。该系统由无线智能燃气表、数据采集器与数据集中器构成，采用GFSK高斯频移键控技术实现燃气表与采集器的通信，其原理如图4所示。无线燃气表与数据采集器采用短距离通信网络，数据采集器与数据集中器之间多采用电力载波通信（利用已布置的电线）或一些标准的自组网网络通信（无线），集中器与燃气企业后台管理系统采用GPRS通信。
图4 GFSK远程集中抄表系统原理
（3）LoRa远程集中抄表方案
LoRa技术是由全球知名模拟混合信号与半导体供应商Semtech公司发布的一种专用于无线电调制解调的技术，融合了数字扩频技术、数字处理技术和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。由于LoRa技术融合了多项先进技术，综合了多种技术的优越性，其最大的特点在于可以在同等功耗下取得更远的通信距离，无需中继器，功耗降低，抗干扰性和安全性也得以提高，主要适用于低速率通信，如燃气表抄表、水表抄表、温湿度监测灯光控制等。
LoRa远程集中抄表方案，由无线智能燃气表、数据集中器构成，主要是利用LoRa所融合的前向纠错编码技术和扩频调制技术，其原理如图5所示。虽然LoRa技术比GFSK技术要性能更优，但LoRa射频芯片的价格比传统调制技术的芯片高许多，提高了智能燃气表的成本，而且存在传输速率和传输的实时性上较差，通信信息量少等问题，需要进一步发展。
图5 LoRa远程集中抄表系统原理
尽管远传式的燃气表实现了计量收费与数据传输的功能，但普遍来说燃气表本身并不智能，仅是在普通膜式表的基础上添加了智能转换模块。
远传燃气表都存在以下共性问题：
（1）表具仍按体积计量收费，不能按热值计量收费。
（2）电源问题没有得到根本解决，还需要电池供电。
（3）智能燃气表的成本较高，尤其是短信表，这在一定程度上制约了智能燃气表的推广及应用。
（4）国家还没有建立智能燃气表行业的统一标准体系，这给产品设计、制造、实验、验收、管理等方面带来诸多不便和影响；系统厂商们的开发能力参差不齐，行业内同类产品接口及协议不统一、不兼容，产品形式与功能不规范。这不但增加了抄表的运营维护成本，而且多种数据格式给燃气公司后续的账务平台处理带来了诸多的不便。
我们将三种远传燃气表的性能进行了对比，如表2所示。
表2 三种远传式抄表系统对比
物联网表抄表方案摒弃了短距离、低速率无线网络，转而采用移动通信网络。在有人居住的区域几乎不存在通信盲区，通信费用越来越低，通讯可靠、稳定和安全得到保证。物联网燃气表是通过移动通信运营商的GSM/GPRS无线公网，以膜式燃气表为基础加装电子控制器，实现数据远传及控制的燃气计量器具。
根据物联网通讯技术的不同，物联网表也细分为两个领域：GPRS物联网表和NB-IoT物联网表。
4.1 GPRS物联网表系统
GPRS物联网燃气表是采用物联网技术，以膜式燃气表为基表，加装GPRS通信模块（SIM卡），借助互联网实现其与燃气企业后台管理系统直接通信，具有双向实时通讯、计量、实时监测、实时调价、实现阶梯气价等功能的新型燃气计量仪器，如图6所示。
图6 物联网燃气表
GPRS（General Packet Radio Service，通用无线分组业务）是一种基于GSM系统的无线分组交换技术。物联网表远程抄表系统所采用的GPRS通信技术分为两种：GPRS短信方式通信和GPRS流量方式通信。
（1）采用GPRS短信通信的物联网表远程抄表系统
图7 GPRS短信通信的物联网远程抄表系统网络结构
GPRS短信通信的物联网表通过电信运营商网络与燃气企业后台管理系统直接交换数据，相对于自组网无线通信智能燃气表，通信稳定性高、通信成本低、施工时间短，可以实现远程抄读数据，可以控制燃气表的运行及进行远程监测，系统方案如图7所示；但同时也存在实时性不高、维护升级成本高及电源供电等问题，实现规模应用仍需技术突破与创新。
（2）采用GPRS流量通信的物联网表远程抄表系统
GPRS流量通信的物联网表直接通过GPRS的数据格式发送给基站，系统方案如图8所示。相对于GPRS短信通信，实时性更高、传输速度更快；但是也存在着数据量传输过大，功耗较大，电池不能持久的问题，存在电气安全隐患且会产生通信费用。
图8 GPRS流量方式通信的物联网远程抄表系统网络结构
（3）GPRS物联网燃气表的局限性
相比于一般的具有远传功能的智能燃气表，GRPS物联网燃气表利用公用网络，直接与燃气企业后台管理系统进行交互，可以实现用气量的实时监测及燃气安全的实时监控。但GPRS通信技术应用于智能燃气表上仍存在SIM卡升级困难、网络覆盖范围存在死角、电气安全性差等局限性，实现规模应用仍需技术突破与创新。计量对象天然气具有易燃易爆特性，因此对电气安全的要求较高。GPRS通信方式由于其本身的通信特点，工作电流和发射功率较大，远远超出了燃气表的技术标准要求，存在很大安全隐患。
4.2 NB-IoT物联网表系统
NB-IoT是指基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things），已成为万物互联网络的一个重要分支，作为IoT领域一个新兴的技术，NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，使用1GHz以下的授权频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存。
图9 NB-IoT技术运用的一般模式
NB-IoT技术更适合海量连接、广泛部署，将在以公共事业（包括城市燃气）为重点的智慧城市领域发挥重要作用，其优势主要表现在：
NB-IoT具备五大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备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，企业预期的单个接连模块不超过5美元。五是功耗低，仅需配备电池，设备就能运行10年以上，且中途无须充电。
对两种物联网表进行了对比，结果如表3所示。
表3 两种物联网表对比
尽管在技术上，智能燃气仪表已经实现了越来越多的功能，但目前我国燃气仪表的市场依然被大多数中低端的普通膜式表和IC卡表占据。虽然旧燃气表更换成智能表的需求潜力巨大，但对燃气公司而言，大范围更换燃气表需要大量资金投入，燃气表全面升级尚需时日。在现阶段，我国多种燃气表并存的现状依然要延续下去。
随着电子信息技术及网络技术的发展，燃气表的智能化和远程管理及服务成为燃气表发展的主要方向，这离不开远程通信技术的支撑，远程通信技术的发展水平直接决定燃气表的智能化和远程管理及服务的实现效果。
可以预见，未来智能燃气表将在数据高效、实时、准确传输，信息安全，能量供给，技术标准等方面持续发力。未来的智能燃气仪表将具有以下特征：
（1）有更加成熟的数据安全和网络功能，可实现实时、双向传输，具有在线自校准的能力。
（2）和国际接轨，不但有阶梯计价功能，还具有热值计量功能，为消费者和燃气公司提供一个公平的交易平台。
（3）能与智能（电）网无缝连接，电池只是起到辅助、备用的作用。
（4）在兼容性方面，加入相应的入网协议，使燃气企业用一套控制管理系统可灵活使用各供应商供应的燃气表，提高燃气表选择灵活性及入网运行可靠性。
技术上的投入需要市场不断产出，为此，一方面，我们要紧紧抓住技术前沿，实现燃气仪表进一步智能化；另一方面，我们要不断的培育、开拓市场，争取从政策上、市场上推进智能燃气仪表的快速应用。
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