物聯(lián)網(wǎng)融合通信技術(shù)在城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

楊欣偉 溫欣 楊欣超

摘 要：在深入研究物聯(lián)網(wǎng)在城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)具體應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對城市地下空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對密封和復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)布設(shè)較難的特點(diǎn)，提出了基于 ZigBee技術(shù)和NB-IoT技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)通信方案，實(shí)現(xiàn)了城市地下空間災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)的全無線實(shí)時(shí)傳輸。該方案網(wǎng)絡(luò)布設(shè)靈活，便于維護(hù)，功耗較低，使用周期較長，為城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信提供新的思路，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：城市地下空間;防災(zāi)減災(zāi);物聯(lián)網(wǎng);ZigBee;NB-IoT;實(shí)時(shí)傳輸

中圖分類號：TP305 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-02

0 引 言

在城市化進(jìn)程的推動下，我國城市的人口密度在不斷增長，城市建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，從而帶來了城市地下空間開發(fā)和利用的全新模式，不僅城市地下空間的功能越來越多樣化，其利用率也有著明顯且持續(xù)的提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來我國地下空間開發(fā)的強(qiáng)度和速度在世界上首屈一指[1]，如地下商區(qū)、地下通道、地下綜合管廊、地下交通系統(tǒng)、地下倉儲等公共基礎(chǔ)設(shè)施已成為城市不可缺少的組成部分。城市地下空間在運(yùn)營管理過程中也存在很多風(fēng)險(xiǎn)，如火災(zāi)、空氣污染、水災(zāi)、震災(zāi)及施工事故等，因此必須建立健全城市地下空間的災(zāi)害預(yù)警防護(hù)機(jī)制，對風(fēng)險(xiǎn)事件做到及時(shí)預(yù)警，達(dá)到城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)的目的，有效保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。但現(xiàn)階段我國地下綜合管廊、地下倉儲、地下通道等人員出入口和通風(fēng)口較少，內(nèi)部空間相對復(fù)雜，密封的地下空間防災(zāi)減災(zāi)工作的技術(shù)水平較低[2]，主要表現(xiàn)在對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸能力不足，由于此類地下空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此較難實(shí)現(xiàn)基于綜合布線基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸;移動通信信號較弱，很難實(shí)現(xiàn)基于單一移動信號的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。本文針對上述問題提出了一種基于ZigBee技術(shù)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合通信方案，可擺脫移動通信信號和有線網(wǎng)絡(luò)的限制，具有布設(shè)靈活，方便維護(hù)，通用性好等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了城市地下空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸效率，可有效保障地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)的有效性。

1 數(shù)據(jù)通信關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是地下空間防災(zāi)減災(zāi)的有效技術(shù)手段，其中網(wǎng)絡(luò)層位于物聯(lián)網(wǎng)的中間段，承擔(dān)著廣泛互聯(lián)的職責(zé)，能夠把感知層獲得的信息無誤、實(shí)時(shí)、安全地傳送至更高層，是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)地下空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的全無線傳輸，兼顧現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和信號問題，本文將具有低功耗和自組網(wǎng)能力的ZigBee傳輸技術(shù)與具有低功耗和廣傳輸能力的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)相結(jié)合，保證城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中傳感數(shù)據(jù)的有效實(shí)時(shí)傳輸。

1.1 ZigBee組網(wǎng)傳輸技術(shù)

ZigBee技術(shù)是在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上開發(fā)的無線組網(wǎng)技術(shù)[3]，具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、短時(shí)延、高容量、高可靠性、高安全性和雙向無線通信等特點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備組成。該網(wǎng)絡(luò)最多可容納65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)采用自組網(wǎng)通信方式，即對于任意一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端而言，只要它們彼此在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過自動尋找就能很快形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

城市地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、覆蓋地域范圍廣，考慮其范圍的擴(kuò)展性，整體布網(wǎng)難度較大，且部分特殊區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)直接通電，因此需要一種高穩(wěn)定性、低功耗、高容量的無線通信技術(shù)。本文選用ZigBee組網(wǎng)通信技術(shù)作為地下空間無移動信號覆蓋區(qū)域的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地下空間的局域互聯(lián)，奠定數(shù)據(jù)傳輸?shù)A。

1.2 NB-IoT技術(shù)

NB-IoT[4]是由3GPP定義的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，于2016年12月開始商用。該網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是一種低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)，具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等特點(diǎn)，是在運(yùn)營商已有網(wǎng)絡(luò)制式的基礎(chǔ)上開發(fā)的，實(shí)現(xiàn)了在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)無線傳輸和通信，具有較高的安全性和可靠性。

鑒于城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中傳感層獲得的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)需要傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行災(zāi)害分析和預(yù)警，但通常數(shù)據(jù)中心并非布設(shè)在地下空間內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)據(jù)通信，需要借助特定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。故本文在地下空間近地面處移動信號覆蓋的區(qū)域布設(shè)了NB-IoT模塊，使其能夠與地下空間的ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接通信，再借助運(yùn)營商的廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳送至數(shù)據(jù)中心。

2 城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示，主要分為傳感識別層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層。其中傳感識別層用于接收地下空間的環(huán)境數(shù)據(jù)，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)布設(shè)溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、煙霧傳感器和水位傳感器等，傳感器分別與帶網(wǎng)絡(luò)功能的芯片相連，實(shí)現(xiàn)對地下空間的溫度、濕度、甲烷、氧氣、水位等重要環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測;網(wǎng)絡(luò)傳輸層則實(shí)現(xiàn)了將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)的傳輸，借助ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下空間局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，再借助NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信，最終將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心;服務(wù)層實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布式存儲和分布式處理;應(yīng)用層則面向終端使用者，接收底層數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、分析、判斷，生成用于指導(dǎo)實(shí)踐的方案和策略。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信部分由基于ZigBee技術(shù)的無線局域網(wǎng)和基于NB-IoT技術(shù)的無線廣域網(wǎng)組成，如圖2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)布設(shè)在深度地下空間的無基站信號處，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)布設(shè)在有基站信號覆蓋區(qū)域的近地表處，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與NB-IoT模塊連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而將數(shù)據(jù)傳送至位于INTERNET之上的服務(wù)層和應(yīng)用層。

2.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組成，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)屬于近距離傳輸網(wǎng)絡(luò)，為保證其有效范圍，在地下空間每隔50 m距離處設(shè)置一個(gè) ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，帶有ZigBee模塊的CC2530芯片作為其主控芯片，并為其分配ZigBee協(xié)議和固定IP地址，每隔4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)處的主控芯片連接有溫度、濕度、水位、煙霧、壓力等傳感器，用于定時(shí)接收傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)數(shù)據(jù)。在每隔100個(gè)終端節(jié)點(diǎn)處安裝ZigBee路由節(jié)點(diǎn)。在有基站信號覆蓋的近地表處安裝ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，即ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)主控芯片主要用于接收信號并進(jìn)行簡單的邏輯判定，若存在一個(gè)或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)超過預(yù)定閾值則認(rèn)為存在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，從而與NB-IoT模塊建立連接，激活NB-IoT模塊，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)通信。城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

2.2.2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用中國聯(lián)通發(fā)布的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托于包含特定芯片和模組的終端實(shí)現(xiàn)，該網(wǎng)絡(luò)上下行有效帶寬可達(dá)180 kHz，續(xù)航時(shí)間約10年[6]。上述ZigBee網(wǎng)絡(luò)中近地表端的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過串口與NB-IoT模塊相連，如圖4所示。本系統(tǒng)在近地表的不同位置設(shè)置了2個(gè)NB-IoT模塊，這兩個(gè)模塊將同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)用于傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一個(gè)用于傳送備份數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。通常情況下NB-IoT模塊處于休眠連接狀態(tài)，不接受消息傳送，但當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有災(zāi)害數(shù)據(jù)出現(xiàn)后，便激活NB-IoT模塊，使其通過中國聯(lián)通的核心網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心。

3 結(jié) 語

本文將現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)局域網(wǎng)通信技術(shù)ZigBee和廣域網(wǎng)通信技術(shù)NB-IoT進(jìn)行了有機(jī)融合，應(yīng)用在城市地下空間的防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、有效、準(zhǔn)確傳送，從而真正擺脫了網(wǎng)絡(luò)綜合布線困擾和對電力線路供電的依賴，真正做到了無線數(shù)據(jù)通信。該方案網(wǎng)絡(luò)布設(shè)靈活，適合于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、基站信號覆蓋不全的地下空間結(jié)構(gòu)，為城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信提供了新的思路，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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