將NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于基層氣象服務(wù)的探索

劉金麗，邢開瑜

（1.珠海市斗門區(qū)氣象局，廣東珠海 519125；2.四川省氣候中心，四川成都 610072）

天氣、氣候與人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活和城市發(fā)展運行的關(guān)系越來越密切，氣象災害及其次生、衍生災害對人民生命財產(chǎn)安全影響也越來越明顯，而隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)的深入推進，氣象服務(wù)數(shù)據(jù)、手段、形式、內(nèi)容與社會發(fā)展程度和人們需求不協(xié)調(diào)的問題越來越突出。但目前的一些研究多集中在服務(wù)的宏觀架構(gòu)和政策措施［1]、平臺集成［2]、手段和形式［3-4]等方面，對數(shù)據(jù)本身的研究不多，將物聯(lián)網(wǎng)與氣象服務(wù)聯(lián)系起來的研究也不多［5-6]。為此，本研究以大數(shù)據(jù)時代的“數(shù)據(jù)”為切入點，依托最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，探討如何解決新時代“巧婦難為無米之炊”的氣象數(shù)據(jù)不足及服務(wù)問題。

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IOT）是將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。本研究所用的NB-IOT（narrow band internet of things）［7]是IOT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被稱作低功耗廣域網(wǎng)。NB-IOT網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)進行改造得來的。LTE網(wǎng)絡(luò)為“人”服務(wù)，為手機服務(wù)，為消費互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；而NB-IOT網(wǎng)絡(luò)為“物”服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)，為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）服務(wù)。NB-IOT使用License頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IOT數(shù)據(jù)采集后可直接上傳到云端，不需要通過網(wǎng)關(guān)，簡化了現(xiàn)場部署。特別的，NB-IOT是面向5G的物聯(lián)技術(shù)，它是5G商用的前奏和基礎(chǔ)，只有NB-IOT等基礎(chǔ)建設(shè)完整，5G才有可能真正實現(xiàn)。目前NB-IOT已經(jīng)正式納入5G候選技術(shù)集合，未來將作為5G時代的重要場景化標準持續(xù)演進，也將成為5G時代物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)。NB-IOT目前在智能水表和燃氣表［8-9]、智慧城市建設(shè)［10-12]等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但在氣象服務(wù)上的相關(guān)研究和應(yīng)用不多。

1 NB-IOT技術(shù)原理及在氣象服務(wù)中應(yīng)用的可行性

NB-IOT是第3代合作伙伴計劃（3GPP）R13定義的無線接入技術(shù)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。相比于4G技術(shù)和不久之后的5G技術(shù)，NB-IOT連接數(shù)量、信號覆蓋深度、功耗等方面均有明顯優(yōu)勢。NB-IOT具備5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，比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，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，其中一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，；三是更低功耗，終端模塊的待機時間可長達10年；四是更低的模塊成本，預期的單個接連模塊不超過5 MYM；五是通信費用低，低至5元一年。

NB-IOT技術(shù)雖然新興，但發(fā)展?jié)摿薮?。該技術(shù)網(wǎng)絡(luò)由運營商建設(shè)，只需對現(xiàn)有基站進行軟件升級即可基本實現(xiàn)無盲區(qū)覆蓋，并且隨著國際標準的出臺（標準制定有我國企業(yè)參與），很容易達到互聯(lián)互通?！吨楹Ｊ腥嗣裾k公室關(guān)于印發(fā)珠海市信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)3年行動計劃（2018—2020年）的通知》（珠府辦函〔2018〕230號）文件指出，在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方面，珠海在全省率先啟動NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，截至2017年底已建成NB-IOT基站超過1 000座；至2019年底，預計NB-IOT基站將累計達3 208座。

當前技術(shù)已成熟并可用于氣象服務(wù)業(yè)務(wù)。如2018年珠海高新區(qū)在下柵社區(qū)試點，依托中國移動NB-IOT網(wǎng)絡(luò)，在廣東省內(nèi)率先規(guī)?；渴鸹贜B-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)火災監(jiān)控管理系統(tǒng)，初步形成了現(xiàn)代社區(qū)智慧消防管理模式。目前NB-IOT正在珠海智能抄表、環(huán)保監(jiān)測、交通管理等公共服務(wù)領(lǐng)域加快應(yīng)用。

在數(shù)據(jù)延時方面，目前3GPP IOT設(shè)想允許時延約為10 s，但實際可以支持更低時延，大概6 s左右，NB-IOT的網(wǎng)絡(luò)時延為6～10 s，當溫濕度、風速、雨量等要素變化幅度比較小的情況下，10 s的時延是可以接受的，且現(xiàn)有氣象數(shù)據(jù)傳輸延時可能遠不止10 s。在數(shù)據(jù)傳輸速率方面，NB-IOT傳輸速率理論可達到160～250 kbps；本研究中通信模塊只是用于監(jiān)控傳感器的數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)不多，一次傳輸不會超過200個字節(jié)，不涉及圖像和視頻傳輸，可以滿足氣象服務(wù)的要求。NB-IOT在智慧氣象服務(wù)上的應(yīng)用可以解決現(xiàn)有自動氣象站建設(shè)費用高、站址用地解決難、維護成本高的系列問題，破解現(xiàn)有氣象監(jiān)測站網(wǎng)密度不夠、氣象實況數(shù)據(jù)不足的難題。

2 NB-IOT氣象智能控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計

氣象智能控制系統(tǒng)（圖1中圓圈部分）的設(shè)計以STM32L051處理器為核心，該芯片休眠電流可達1μA以下，電源控制部分采用太陽能控制板加儲蓄電池的方案。NB-IOT通信模塊采用移柯通信LYNQ模組L620，該模塊進入PSM休眠模式后電流可達4μA以下。傳感器選用溫濕度傳感器、翻斗式雨量傳感器、風速傳感器。所有的傳感器都采用嵌入式傳感器，可直接讀取溫度、相對濕度、雨量、風速數(shù)值。處理器與傳感器的通信接口都采用485接口。采用ADXL362運動傳感器監(jiān)控設(shè)備的震動情況。

圖1 氣象智能控制系統(tǒng)及NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖

智能控制系統(tǒng)最核心部分是采集各種傳感器的信息，上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。STM32L051處理器通過485接口向溫濕度傳感器、翻斗式雨量傳感器、風速傳感器發(fā)送讀取命令，然后傳感器回傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)，處理器根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行校驗，提取出真實的數(shù)據(jù)值。提取到數(shù)據(jù)值以后，喚醒NB-IOT通信模塊，使其從PSM模式進入工作模式，通過NB網(wǎng)絡(luò)把溫度、相對濕度、雨量、風速數(shù)據(jù)傳送到中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺。為了降低功耗，整個控制系統(tǒng)平時處于休眠狀態(tài)，定期采樣氣象數(shù)據(jù)并上傳，定期上報間隔默認為1 h，用戶可根據(jù)實際情況通過物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)命令修改定期上報間隔。

為了監(jiān)控設(shè)備的運行狀況以便及時維護，智能控制系統(tǒng)會監(jiān)控儲電池的電量、設(shè)備的震動情況、信號值、信噪比，確保設(shè)備在穩(wěn)定可靠、信號良好的情況下運行。如果電量過低、震動劇烈、信號不好，設(shè)備可以及時地發(fā)出告警到物聯(lián)網(wǎng)平臺，用戶可根據(jù)實際情況及時派人維護。用戶也可以根據(jù)電量告警情況關(guān)閉部分或者全部的傳感器，調(diào)整傳感器的采集間隔和上報間隔，保證設(shè)備的最小系統(tǒng)或者部分系統(tǒng)運行。

為了提高對溫度、雨量、風速、濕度等要素異常值和極端值的敏感性，及時獲取到關(guān)鍵氣象要素變化信息，智能控制系統(tǒng)可以設(shè)定好各種告警閥值，如當雨量高于告警閥值時，系統(tǒng)產(chǎn)生雨量過高告警并上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。用戶可以在物聯(lián)網(wǎng)平臺遠程下發(fā)配置設(shè)備的告警閥值，系統(tǒng)收到告警閥值以后保存到存儲器FLASH中，并間隔采樣氣象數(shù)據(jù)，對比告警閥值確認是否產(chǎn)生告警。用戶也可以按照實際情況通過物聯(lián)網(wǎng)平臺遠程下發(fā)配置采樣氣象數(shù)據(jù)的時間。

考慮到數(shù)據(jù)的安全性，智能控制系統(tǒng)采用DES（data encryption standard，DES）對稱加密，數(shù)據(jù)在控制系統(tǒng)進行加密，用戶從物聯(lián)網(wǎng)采樣到數(shù)據(jù)以后進行解密，用戶可以通過物聯(lián)網(wǎng)平臺遠程下發(fā)修改密碼或根據(jù)實際情況決定是否加密。

2.2 在物聯(lián)網(wǎng)上面添加產(chǎn)品和設(shè)備

本研究選用的是中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺，電信物聯(lián)網(wǎng)平臺的結(jié)構(gòu)是：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備-電信的基站-電信的物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器-用戶的應(yīng)用服務(wù)器（圖1）。其中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過COAP協(xié)議與電信的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進行通信，應(yīng)用服務(wù)器使用HTTP接口和電信的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進行通信。

企業(yè)級的用戶需要給中國電信發(fā)送郵件，申請注冊賬號。登陸中國電信物聯(lián)網(wǎng)，先創(chuàng)建項目，應(yīng)用ID和應(yīng)用秘鑰很重要，后面的應(yīng)用服務(wù)器要使用這兩個參數(shù)。項目創(chuàng)建成功后，選擇產(chǎn)品開發(fā)菜單，創(chuàng)建產(chǎn)品，點擊自定義產(chǎn)品，設(shè)置產(chǎn)品信息。創(chuàng)建完產(chǎn)品以后，點擊新建服務(wù)，定義Profile（設(shè)備能力描述文件）和編解碼插件。在Profile里面添加上傳數(shù)據(jù)、溫度告警、相對濕度告警、雨量告警、風速告警、電壓告警，下發(fā)控制這些服務(wù)名稱，并給出各種屬性字段、命令字段和數(shù)據(jù)類型等信息。在編解碼插件開發(fā)里新增上傳數(shù)據(jù)、溫度告警、相對濕度告警、雨量告警、風速告警、電壓告警、下發(fā)控制等消息，在消息中指定是數(shù)據(jù)上報還是命令下發(fā)。給每一個消息添加字段，首先添加messageId字段，用來區(qū)別各種不同的消息，然后添加其它字段，并指定數(shù)據(jù)類型。把消息的字段和Profile里的屬性字段和命令字段關(guān)聯(lián)起來，這一步驟很關(guān)鍵。上述操作完成后，點擊保存，然后點擊部署。部署成功后就可以添加設(shè)備了，進入設(shè)備管理界面，點擊新增真實設(shè)備，輸入設(shè)備名稱和輸入模塊的IMEI號（國際移動設(shè)備識別碼）。此時，設(shè)備就可以實現(xiàn)往中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以從中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)命令到設(shè)備，下發(fā)命令一般采用緩存下發(fā)的方式，等設(shè)備上報數(shù)據(jù)的時候，設(shè)備就會收到命令，特別適合休眠喚醒的設(shè)備。點擊歷史數(shù)據(jù)可以查看設(shè)備上報上傳的各種數(shù)據(jù)信息，進入調(diào)試產(chǎn)品可以下發(fā)不同的命令給設(shè)備。進入訂閱調(diào)試，添加后臺應(yīng)用服務(wù)器網(wǎng)址或者IP地址到訂閱里面，這樣設(shè)備上傳數(shù)據(jù)到中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺的同時，也會把數(shù)據(jù)推送到后臺應(yīng)用服務(wù)器。后臺服務(wù)器也可以調(diào)用中國電信物聯(lián)網(wǎng)的API（應(yīng)用程序編程接口）下發(fā)命令到設(shè)備。

3 氣象數(shù)據(jù)管理

3.1 氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種傳感器設(shè)備的應(yīng)用，氣象觀測數(shù)據(jù)海量化?？赡馨殡S出現(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集標準不統(tǒng)一，采集方式復雜多樣的問題，由此導致的數(shù)據(jù)質(zhì)量和可運算分析性值得關(guān)注。本研究用到的氣象傳感器均采用的低功耗且采集原理符合氣象標準的設(shè)備，獲得的氣象數(shù)據(jù)與現(xiàn)有氣象數(shù)據(jù)格式、單位一致，且會經(jīng)過程序設(shè)計進行質(zhì)量控制。另外，本研究主要想彌補數(shù)據(jù)密度不足問題，在誤差允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)質(zhì)量基本能夠得到保證。

3.2 氣象數(shù)據(jù)安全問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場的擴大，物聯(lián)網(wǎng)安全問題凸顯。而很多安全問題來自于不安全的設(shè)計，因此本研究將在產(chǎn)品設(shè)計之初考慮安全因素，做好數(shù)據(jù)加解密處理。首先通過電路板上的CPU程序進行軟件加密，數(shù)據(jù)從NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)到用戶應(yīng)用服務(wù)器時再進行解密處理。加密采用的是DES算法，加解密使用相同的密鑰。

4 物聯(lián)網(wǎng)氣象服務(wù)應(yīng)用場景舉例

應(yīng)用服務(wù)器獲取到關(guān)注區(qū)的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)后，首先是對數(shù)據(jù)進行基本的分析和加工處理，然后可通過手機APP等終端向用戶靶向推送天氣實況數(shù)據(jù)和雨量報警等災害信息。

物聯(lián)網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)具有針對性強的特點，它除了在城市防災救災和城市規(guī)劃項目設(shè)計領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用價值外，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過在農(nóng)業(yè)種植地點部署NB-IOT傳感器終端，構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測、預警和氣象災害防御系統(tǒng)，獲取實時氣象數(shù)據(jù)，并將氣象信息通過手機APP終端軟件傳送給農(nóng)戶［13]，可以幫助農(nóng)民實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料科學、有針對性的投放和管理，更好的開展農(nóng)事生產(chǎn)活動和劃定農(nóng)業(yè)種植范圍，提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

未來，與氣象比較密切的行業(yè)，像生態(tài)文明建設(shè)，物流、醫(yī)學、交通、旅游以及清潔能源、電力等方面，物聯(lián)網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)也可以發(fā)揮很大的作用。

5 結(jié)論

本研究分析了NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)有氣象監(jiān)測站網(wǎng)盲區(qū)和防災減災需求區(qū)中應(yīng)用前景和可行性，重點闡述了如何構(gòu)建氣象智能控制系統(tǒng)；在中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺上如何添加產(chǎn)品和設(shè)備，實現(xiàn)對各種氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)控和告警功能。通過設(shè)備直接連接到物聯(lián)網(wǎng)，再從物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)數(shù)據(jù)到用戶端的方式，實現(xiàn)了氣象要素單連接傳輸?shù)接脩魬?yīng)用服務(wù)器的目的，避免了以往多層面?zhèn)鬏數(shù)膹碗s操作，減輕了服務(wù)器的壓力和降低了對服務(wù)器本身的要求。同時，物聯(lián)網(wǎng)卡費用低廉，年均幾十塊的通信費用也使得運行成本明顯降低。另外，本研究也分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量和氣象數(shù)據(jù)安全問題，并提出了有針對性的解決方案和解釋。由于物聯(lián)網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)具有針對性強的特點，最后介紹了物聯(lián)網(wǎng)氣象具體應(yīng)用場景，尤其是在農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中應(yīng)用前景廣闊，這為解決氣象部門長期以來為農(nóng)氣象服務(wù)工作進展緩慢找到了新的切入點。

由于NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還是新興的發(fā)展技術(shù)，本研究只是做了比較初步的分析和探索，其在氣象服務(wù)中的應(yīng)用仍有很多細節(jié)工作要在接下來的項目實施中開展。