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山东五洲水务科技有限公司
NB-IOT物联网水表解决方案
2019年3月
技术部:.
山东五洲水务科技有限公司

本方案主要介绍NB-IOT在水务行业的应用,行业目前存在的问题,及NB-IOT技术为
水务行业带来了哪些改变,解决了哪些难题。介绍了NB-IOT智慧水务整体解决方案,
并对相关技术规范应用、业务功能及流程的进行了设计与约束、定义NB-IoT水表的基
本功能集、实现流程,并提供方案设计建议。

“十三五”时期(2016-2020年)将是我国全面建成小康社会,实现中华民族伟
大复兴中国梦的关键时期,资源、能源发展面临前所未有的机遇和挑战,水资源在我
国资源中占据重要地位。在国家继续深化改革的政策指引下,水务行业的发展环境将
发生显著变化,水务行业的不断发展将及大的推动智能水表的发展。
当前,传统智能水表在解决水务客户痛点时存在许多问题,比如数据传输不稳定、
功耗高和抄表成功率低等。而NB-loT具有高安全、广覆盖、大连接、低功耗和低成本
等特点,可以较好的解决上述问题,并更好的满足水务客户的发展需求。
智能水表行业作为一个可持续发展的行业,市场前景广阔。目前我国正处于传统
机械式水表向物联网水表的转换阶段,物联网水表凭借其安全性、便捷性、智能性等
优点将成为市场上的主流产品。

近年来城市水务取得了巨大的发展,但由于城市水务业务涉及城市安全、百姓服
务满意、企业自身盈利、区域能源供需平衡等多方挑战,水务企业运营也一直存在
诸多管理难题。

抄表难,缺乏快速有效的抄表手段,由于传统工作方式效率低下,后台计费
系统往往月末待集中进行计费出账。:.
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
收费难,缴费难,水费回收难,缺乏给用户的便捷缴费通道。传统抄表收费
方式是纸质账单分发送达客户后,用户才能到指定营业厅进行缴费,往往很
多用户感觉费时费力,因此难以积极主动缴费。

及时性低,抄表、收费在传统人工抄收的模式下,及时性差,非常滞后。抄
表收费周期长,对水务公司资金运转产生不利影响。

缺乏高效的供水管网监测手段,人工排查问题效率低下,实时性差,很多安
全、爆管问题难以及时发现。供水管网关乎工商业、居民用水以及水资源充
分利用,管网腐蚀、漏水等,需通过实时远程监控,及时解决,才能预防与
消除管网隐患。因此,水务公司急需技术手段加强管网压力、水质实时监测
以及用户用水行为监测,实时对终端异常发出报警,或进行远程关阀控制。


供销差难以控制监测,对于水务企业,管网漏损是企业收益的一大天敌。管
网的物理漏算、表具的计量误差、抄表不及时以及用户偷水行为不能及时有
效监控带来的输差损失,导致企业损失巨大。

国家出台的阶梯计价等调控节能降耗措施难以实施,为促进水务行业健康发
展,充分利用价格杠杆调节区域供需平衡,引导用户节约用水。近年来自来
水价格改革不断深化,非居民用水价格不断市场放开,居民用水阶梯价也已
经在全国多地进行实施落地。随着复杂价格计费,频繁的调价,需要精准的
计量依据,传统的管理模式或者产品已经不再适用。


水务行业作为一个可持续发展的行业,市场前景广阔。目前我国正处于机械水表、
IC卡智能水表向物联网水表的转换阶段,物联网水表凭借其安全性、便捷性、智能性
等优点将成为市场上的主流产品。
目前中国的水表市场存量中,各类智能表具占了20%~30%,并且在逐年快速增长,
其中大部分是IC卡预付费水表,真正意义的远程自动抄表水表比例不高,依照通信
作业模式划分,主要有::.
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机械式普表:机械计量非智能,需要人工入户抄表。
IC卡表:预付费,单户控制,需要卡片作为介质。
有线远传表:需要提前布线,有线方式连接。
无线远传表:点对点、或者集中抄收、远程控制。
2G物联网表:基于GPRS蜂窝网络、定时抄收、远程控制。
水务公司在使用智能水表过程中,因为数据传输稳定性差、数据安全问题表具功
耗大、无线网络覆盖能力弱等问题,一直阻碍了智能抄表的广泛应用,主要体现在:

数据传输不稳定、抗干扰性差
目前,许多水务公司是通过小无线等技术进行智能水表数据的传输。由于利用
的是非授权频谱建立的自组网,其抗干扰性、数据管理水平良莠不齐,数据传
输不稳定,安全和可靠性令人担忧。

功耗问题
作为对防水等级要求很高的水表,传统智能水表的高功耗问题,是水务公司迫
切需要解决的问题。如需外接电源,将增加沟通成本。如内置电池,结构设计
可更换电池,则由于功耗大,需更换电池,还需要考虑防水,将增加维护成本
和管理难度。目前国内民用水表强制更换周期为6年,许多智能水表寿命一致
性较差,难以达到业务要求。

网络覆盖问题
目前,国内很多水表安装在楼道内、室内或者地下井,安装环境非常复杂、差
异很大。因此对网络要求较高,为保证传输效果往往需要加装信号放大器,但
效果不尽人意,造成抄表率不稳定。

多厂家多表具接入问题
水务公司抄表智能化的需求催生了数量众多的智能表厂,趋于竞争压力,每家厂商
的通信协议一般均为私有,而且不断推出新型号的表具和协议版本,每家厂商都提
供不同的后台软件,为水务公司智能抄表带来更大的隐患。如使用小无线等方式进
行数据传输,将难以实现大量智能水表数据通讯的统一网络搭建。如采用众多小区
域单独管理模式,则将增加企业的管理难度和成本。需耗费大量人力物力财力解决
智能表之间的系统互联互通问题。:.
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随着网络技术的发展NB-IOT技术能够很好的解决以上问题,NB-IoT技术具有低
功耗、广深覆盖、低成本、免维护等特点,应用与智慧水务方面,可以高安全、低
成本的实现对智能水表的流量信息稳定的实时采集、设备状态监测、控制指令下发等
远程操作,将采集的水表数据和状态信息进行及时分析和处理,从而实现更有针对
性、科学性的动态管理,提升智慧水务的管理效率和服务水平。


系统响应当前政策,顺应水表发展需求,实现“远抄、远控、互联、互通”,
建设并完善智能远传抄表系统,“抄表不入户,服务不扰民!”造福民生,提升企
业的管理和服务水平。
系统采用一体化的方式对用户用水信息进行采集和管理:支持各类通信方式的
接入和通道的扩展,全面覆盖采集对象;提供统一流程、统一标准的终端管理及运
行质量监测,提高终端竞争公平性;采用分级配置的任务管理方式,降低任务管理
难度;采用一体化数据存储模型,构建一体化数据中心,保证数据的一致性和准确
性。
平台是采用物联网、云计算、大数据等技术,整合数据采集、处理、存储、数
据校验、展示、分析等功能于一体的智能表管理平台。平台需要连续不间断地采集
各类用户的信息数据,根据采集规模、管理模式、业务处理等方面的差异化,要求
采集平台在部署上支持云部署和分布式部署的两种结构实施方案。

被同行广为推崇的高精度测量机芯结合湿式传动结构,使得表计表现更加完
美。极低的始动流量及持久的精确计量是此表计最主要特征。液封字轮保证水表读
数长期清晰。表体加强型设计,防止人为破坏,内置滤水器。同时内部标配单向
阀,保证表计只计量单向流量。
:.
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特性
■任意安装位置,极低始动流量
■字轮灌装特殊液体,读数清晰
■标配滤水器,减少水中杂质对机芯影响
■表壳使用优质铜材压铸,坚固耐用
■可安全工作在50°C水况中
■³
■标配单向阀,减少水流波动造成的计量误差
■
■水表符合GB/-2007;ISO4064-1:2005及MID2004/22/EC标准要求

网络层主要是指运营商的网络,这里主要是NB-IOT网络,主要起到传输作用,
其特点如下:

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倍覆盖区域的能力信号更强;

海量连接,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、

低设备功耗和优化的网络架构;

低功耗,NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;

低成本,企业预期的单个接连模块不超过5美元。


平台层主要是指***自主研发的物联网开放平台OneNET,OneNET平台启动
一个承上启下的作用,向下支持不同厂家、不同型号、不同协议的水表接入,向上开
放API及数据推送与水务公司智慧水务系统连接,OneNET平台还具有设备FOTA升
级、海量连接、协议转换、消息路由等核心功能的支持,将智慧水务系统解耦,聚焦
于实现业务逻辑和功能。
OneNET平台主要功能如下:
➢
数据分析:提供大数据存储与分析框架,为基于水务系统的大数据分析提

供基础能力服务;
➢
设备管理:在OneNET层面对底层终端设备的信息及控制管理;
➢
规则引擎:提供可编辑的规则触发引擎,为告警管理提供灵活易用的开发框

架;:.
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➢
FOTA:远程升级功能,提供给底层设备远程固件升级的功能;
➢
消息路由:实现上下行数据消息路由功能;

➢
消息分发:可将采集的数据通过消息转发、短信推送、APP信息推送等方
式快速传递信息内容;式快速传递信息内容;
➢
推送通知:可将报警信息和采集数据通过短信、邮件、消息等方式推送至
用户或第三方系统;
9:.
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➢
协议转换:实现底层设备的传输数据解包、数据格式转换以及协议适配;
➢
数据鉴权:针对底层设备数据上传的数据鉴权和用户通过OneNET获取数
据的鉴权管理;据的鉴权管理;
➢
负载均衡:解决底层设备并发数据请求的连接压力,通过分布式集群处理
满足高并发连接请求。

应用层基于OneNET的上层应用,面向水务公司和水表用户,通过APP、微信、
WEB网页等前端展示形式,应用通过调用OneNET平台API接口,建立数据与应用之
间的关联,构建面向客户的系统服务器,并进行业务逻辑编排,组成多个管理模块,
客户端通过调取各模块数据,实现视图层前端展示。主要包含水务各业务相关的专业
信息化系统及基于大数据分析的上层智能应用。

➢
系统无故障运行时间大于5000小时。
➢
系统恢复时间小于4小时。

➢
最大终端管理量不低于1000万台;

➢
接入用户数>500户

➢
常规数据查询响应时间<5s;

➢
模糊查询响应时间<8s;

➢
网络正常、接口数据传输通畅情况下,一般功能页面打开时间低于3秒;

历史查询功能等大数据量页面打开时间低于5秒。
➢
数据库中数据量超过千万条记录时,数据库能在5s内完成操作;


平台应具备扩展性,及TB级数据长期存储、安全使用能力。应具备快速处理
和:.
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:.
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大用户并发能力。支持智能终端设备采用安全芯片提供加密和认证。
平台设计应符合信息安全等级保护三级及云平台安全相关要求,符合国家技术
与法规要求的国密算法。支持国密算法及密钥的管理与发行,支持无证书的非对称
密码体系。支持多安全域管理、多安全应用和远程的安全下载。支持采用无证书机
制提供统一认证服务。支持符合国密标准的对称与非对称数据加密保护通信通道。
支持数据加解密、签名验签、随机数生成、密钥等敏感数据加密存储和访问控制、
快速销毁,支持安全设备管理、安全策略配置、密钥管理、安全事件监测、行为安
全审计。
系统应提供角色管理、权限管理、统一认证等功能,采用加解密(含对称与非
对称密钥、数字信封等)、签名验签等安全手段。提供对重要事件的日志管理功
能。根据业务需要,提供基于IP网络的服务接口,需采用远程过程调用RPC接口
或
Restful接口形式;提供基于NB_IoT网络服务接口,需结合NB_IoT网络特性进行
安
全设计。

表计终端通过NB-IoT网络与平台交互,实现的功能主要包括
终端上线:表计终端在IoT平台/应用平台注册,平台获知表计终端IP地址和
状
态。
周期数据上报:按照设定的时间将表计的用量、金额、状态、信号等业务数据
上传到应用平台。
远程控制及参数配置:通过应用平台向终端下发参数设置、充值、阀控、升级
等指令。通过序列号过滤掉网络重发的充值指令,防止重复充值。
设备异常上报:当表计发生超流速、微漏、干簧管坏、关阀漏水、移动报警、
电池欠压、欠费等异常情况时会立刻向平台发送消息。

:.
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表计终端的安装过程,包括安装人员、关键环节、安装后测试、信息采集、
何查看和修改终端配置等,都需要符合以下安装施工规范。:.
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表具出厂的时候都会有一个唯一标识的条码,安装的时候必须将此条码信息与
相对于的用户信息关联正确,否则会出现抄到的数据不准确。


领表
施工单位到约定仓库办理领表手续,要求记录领出型号、数量、领出人、日期、
施工卡、验收申请。

安装
施工人员上门安装表具,检验合格后将表具上面的条形码贴在施工卡上,要求记
录用户姓名、地址,以及用户签字。

验收
施工完成后,填写验收申请书,交付验收部门,经验收合格后,由验收部门签字
盖章。

表号录入,形成账本
施工单位将施工卡上交,由水务公司信息录入人员扫描将表号、厂家等信息输入
计算机,建立表具编号与用户的一一对应关系,形成账本。

表计终端首次进行通讯或者断电模块离线后重新入网,NB通讯模组会自动尝试
连接NB-IoT网络获取终端IP地址。终端基于已配置的平台IP地址与平台建立
DTLS+
安全连接。建立连接后,终端开始与平台进行正常业务上报及下行指令交互,通讯
结束后模组进入PSM模式。在下一个通讯周期模组从PSM状态进入到连接态不需要重
新搜网,可直接进行上报,。
:.
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终端搜网是连接NB-IoT网络并获取IP地址的过程。终端搜网必须有保护机制
避
免不停搜网电池消耗过快。
模块通过AT命令进入搜网过程,理想情况下几秒钟终端可接入NB-IoT网络。异
常情况下如网络质量不好,则清除先验频点等待一分钟后重试,重试三次后记录注
网异常后休眠等待下个通讯周期。
搜网成功终端获得IP,终端基于预配置的平台IP地址与平台交互建立DTLS安全
连接。随即终端完成平台注册表示终端上线成功。
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表计在设定的周期时间到时启动通讯模块,将表上的业务数据上传到应用平台,
然后等待接收平台下发的指令,中间通过两次心跳包维持与平台的连接,3分钟后模
组进入PSM状态。
:.
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数据帧内容包括:累计用量、剩余金额、前7天的历史数据(累积量)、设备地
址、生产厂家、设备类型、设备时间、设备状态、RSRP、SNR、ECL、PCI、Cell
ID、EARFCN、电池电量等。

启用预付费功能后,会在表端进行扣费操作。当剩余金额低于设置的报警值时
表计会有提示,并同时向平台发送报警信息,且表计每走过一个计量精度,表计会
进行告警提示,若继续使用使金额超过欠费阈值,表计会关闭阀门且无法在表端开
阀。用户发现余额不足或欠费关阀时可通过提供的缴费方式进行缴费。缴费成功
后,可在表计进行触发接收或等待表计接收周期到时自行启动接收。
表计收到充值指令后若剩余金额超过报警阈值,则消除告警,之前欠费关阀的
自动打开阀门。
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表计终端具备自检功能,当检测到异常流量、欠压、欠费等情况时,会立刻向
平台上报报警信息,平台通知维护人员处理故障,维护人员根据系统的异常记录可
选择远程下发指令或者进行现场维护。
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NB-IoT终端由电池供电,对低功耗有严格要求。由于不需要随时接收下行消
息,可以充分利用PSM模式节省终端功耗。
NB-IoT终端上报数据后,会延时3分钟处理平台预先下发的指令然后进入睡
眠
态,由连接态进入睡眠态的过程,过程如下
连接态
空闲态
睡眠态
基站20s不活核心网PSMActive
动定时器超时Timer超时
终端收发数据后仍有一段时间处在连接态,对功耗特别敏感的终端是较大浪
费。对于表计终端,建议终端发送所有上行请求时都携带释放指示RAI
(With_Ack),发送所有上行响应时都携带释放指示RAI(NoAck),使得基站与终
端的连接能快速释放,终端快速进入空闲态从而节省功耗。
终端进入空闲态后,仍可以在一段时间内接收到网络侧寻呼从而接收下行消
息。由于表计接收下行请求的几率很小,因此在空闲态主要是少量的监听,不会带
来功耗明显浪费。
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&性能

水表性能要求
根据水务行业要求,抄表可以设置为天模式、周模式、月模式,推荐为天模式抄
表,要求抄表率≥98%,抄表准确率≥99%;并要求水表故障主动报警,报警时效20S,
报警率要求100%。

覆盖标准
NB-IoT网络信号覆盖等级划分如下:
覆盖RSRP门限(电平)SINR门限(信噪比)
等级
0≥-105dBm≥7dB
1-105dBm<RSRP≤-115dBm7dB>SINR≥-3dB
2-125dBm≤RSRP<-115dBm-3dB>SINR≥-8dB
建议安装在覆盖等级0和1的区域,即安装点的网络参考信号信噪比SINR>-
3dB,
参考信号接收功率RSRP>-115dBm。在覆盖等级2区域,可以接入使用NB-IoT网
络,
但时延、耗电等性能会受影响。

性能保障
为了提升终端的网络服务质量,建议运营商记录每只终端的安装位置(水表等
终端都会记录所安装的房间),并在恰当的业务消息(如心跳)中携带电平值和信
噪音比信息,由此运营商获知具体某个位置的实际覆盖情况,为面向业务感知的网
络优化提供支撑依据。
建议IoT平台定义标准数据模型,可解析网络相关的数据,表计厂商按照特定
格
式上报。
设备的IMEI为设备登录时的鉴权信息,使用模组对应的IMEI进行设备注册,
既能满足鉴权信息的唯一性,也能和模组一一对应,便于开发管理。
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NB-IoT信道带宽为200KHz,若同一区域内大量终端同时上线/上报数据,则相互
之间会产生碰撞,造成接入时间较长,接入失败可能性变大,功耗增加。因此应尽
量避免大量终端同时接入。
抄表类并发冲击主要发生在周期上报过程,可设置表的上报时间,错开通讯高
峰,比如选择在夜间上传;在规定上报日期以小时为单位分时段上传,同一时段的
设备可根据ID顺序入网和上报数据,比如:上报时间+ID后三位*错峰时间系数终
端根据自身的地址编码后3位,依次延时,实现错峰上报。
异常事件导致的信息上报,会出现现场相关多个终端同时上报告警,这种情况
无法进行错峰,因此运营商需要结合终端实际安装密度,评估相应的网络资源是否
满足告警传送需求。
终端出厂前进行厂验测试,各项测试内容都要依赖NB-IoT网络通讯。针对厂
验测试中的消息并发需求,建议终端生产厂家与运营商协商,通过局部增加网络容
量或者搭建虚拟网络,保证设备的正常检测及生产效率。


当出现心跳异常、抄表数据没有定时发送、下发指令表计端没有按时响应等
故障时,从业务平台的排查思路通常包括如下步骤:
1)设备出厂之前进行出厂检验,已经验证设备是完好的;
2)导致设备故障的外部原因,如电池欠压、传感器故障等信息,会通过通讯
模组上报至平台,用户可依据具体故障来解决;
3)如通道故障,首先需要确认NB卡是否因欠费停卡,如果没有,则需运营商
确认,是属于网络信号覆盖问题还是属于网络拥堵问题,设备具有相关的
重传机制。
由于网络覆盖或者网络拥堵原因,运营商需要具备NB-IoT网络问题的快速定位手段。
:.
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
表不通水排查思路通常包括如下步骤:
1)管道未通水,可能存在室外管道控制阀门关闭;表前阀未打开。检查并打
开室外管道控制阀门、表前阀等外部阀门即可。
2)水表内剩余金额低于最低透支金额,阀门关闭,所以不通水。购买水量及
时充值并开阀即可。
3)磁干扰故障、干簧管坏故障可导致阀门关闭,查看液晶故障代码并告知厂
家进行处理。

通过IOT平台如移动OneNET平台实现FOTA升级功能,满足用户对模组、MCU
的固件版本进行远程升级,让集成了模组或含MCU的终端设备在现网运行过程
中,能够实现版本的更新迭代和管理功能。升级可支持完整包的升级和差分包升
级。

网元检查项目推荐建议
入网离散,根据终端客户需求,对终端上报时间做一定
接入离散
范围时间内上报时间离散处理;
连续发送3次搜网或者注册失败,停止本次搜网注册,
搜网与注册
待下个心跳时间或其它数据上报;
上报数据大小与间隔
报警数据大小:<100字节,应答包大小:<50字节;
故障告警上报数据大小故障告警数据大小:<100字节,应答包大小:<50字节;
连续发送3次未成功,抛弃本条告警信息发送,在下一
故障告警异常流程
上行次心跳时上报当时的状态信息
终端运维支持Fota升级,支持PCI\RSRP\SNR\ECL上报
下行设置、阀控、充值指令<100字节,应答包大小:<50字节;
:.
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应用使能平台提供设备管理和业务使能等功能,提供安全的NB-IoT网络接入、
协议的灵活适配、海量的并发连接管理、端到端安全、故障定位/诊断,为业务平
台提供业务能力开放。支持的功能集包括:
设备注册:设备与IoT平台建立连接,接入NB-IoT网络,以确保设备与IoT
平台之间的正常通信。
设备配置:提供设备配置管理功能,支持设备配置查询、支持设备配置变更、
支持设备默认配置、支持设备配置获取等功能。
远程升级:支持指定设备升级和批量设备升级两种方式。
即时命令/缓存命令:平台提供端到端下发命令的通道,从而实现远程控制设备
的功能。IoT平台需要支持命令立即下发以及命令缓存下发能力。
协议适配:可适配各种终端的接入,并通过标准报文Profile,将各协议转换成
统一的数据格式,方便终端设备的快速接入,提升业务集成能力。
端到端安全:支持DTLS,提供终端、网络、IoT平台等端到端的安全,保证数
据传输的安全。设备认证接入,平台进程隔离,对业务平台实现授权管理、绑定管
理、账号密码管理等。
上行消息离散:IoT平台获取设备所在通信小区的历史负载情况,并根据历史
负载情况确定周期上报数据的时间,并发送给设备。接收到IoT平台下发的数据上
报时间后根据该时间上报数据,实现错峰上报功能。
下行消息离散:当IoT平台下发下行消息到设备时,IoT平台根据小区实际载
荷进行系统级流控。
API开放:IoT平台提供基本的API接口,设备注册,命令下发,远程升级等,业
务平台可调用这些API接口实现不同的业务功能。
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连接管理平台提供物联网SIM卡的基本信息管理、可连接性管理、终端连接状
态管理、故障维护等方面的功能。支持的功能集包括:
通信管理:对企业所有的物联网SIM卡进行管理,查看SIM卡的网络状态、
用量信息等,支持流量池成员管理、通信服务开停、终端节点参数下发等功能。
生命周期管理:提供了自助进行SIM卡生命周期批量变更的功能,企业可根据
业务需要自行对SIM卡进行停机、复机、激活等操作。
自动化规则:根据企业预设的规则,自动对其下所有物联卡进行监控,定期输
出报告汇报物联卡工作情况,对于风险或异常进行实时的告警提醒并执行预设的自
动化管控措施。
智能诊断:提供SIM卡故障诊断功能,帮助企业定位设备的通信故障问题。
资费管理:提供SIM卡资费管理的功能,企业可查看已订购的资费情况,并能
自助调整资费,为企业节约成本。
账单管理:提供企业账单的查询功能,让企业及时了解SIM卡的费用情况和余
额情况,并能够查询每张SIM卡的通信详情。
eSIM管理:提供空中写卡功能,支持国内空中写卡和跨运营商空中写卡。
安全管控:提供机卡绑定、机卡分离报告等功能,防止SIM卡从设备中取出挪作
他用,帮助企业规避安全风险。
API集成: