NB-IoT的水環(huán)境在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)探討

馮艷紅，張文婷，周 鑄，張賀賀

（1.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210000；2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210000）

我國是世界上水資源最豐富的國家之一，年水資源總量為2.8萬多億噸，在全球各國排第六位。但同時(shí)，我國也是世界上水資源最缺乏的國家之一，人均水量不足2 400 m3，僅為世界人均水量的四分之一，全球排名第110位，是聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)的13個(gè)貧水國家之一。當(dāng)前我國600多個(gè)城市中，有400多個(gè)城市存在著供水不足的問題，其中有100多個(gè)城市存在著嚴(yán)重的缺水問題，而我國每年缺水量大約為60多億 m3。在嚴(yán)重缺水的同時(shí)，我國還存在著較為嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為：我國的工業(yè)生產(chǎn)用水量比國外發(fā)達(dá)國家的工業(yè)生產(chǎn)用水量高出5～10倍，而且，國外發(fā)達(dá)國家在水資源的重復(fù)利用率方面達(dá)到了70%以上，而我國僅為25%左右。而加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測，能為水資源保護(hù)工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考，是現(xiàn)實(shí)水資源合理開發(fā)利用的前提和基礎(chǔ)，特別是在當(dāng)前智慧城市建設(shè)過程中，基于NB-IoT技術(shù)，對(duì)水環(huán)境進(jìn)行在線監(jiān)測，開展水環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和記錄，分析水質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)，用于水環(huán)境的管理，能實(shí)現(xiàn)人們安全的飲水及水資源生活環(huán)境提供參考。

1 NB-IoT概述

NB-IoT是英文“Narrow Band Internet of Things”的首字母縮寫，意為窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)重要的分支之一。其組成也是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際運(yùn)用中，這種技術(shù)能有效降低網(wǎng)絡(luò)部署的成本，而且根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)用了NB-IoT的設(shè)備電池壽命能夠延長至10年[1]。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著信息技術(shù)的快速更新發(fā)展及普及應(yīng)用，移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的人與人之間信息的傳遞，向著人與物以及物與物之間的信息傳遞發(fā)展，萬物互聯(lián)已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。特別是隨著我們進(jìn)入到5G時(shí)代，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)不僅具有可移動(dòng)的顯著特性，同時(shí)還具備了覆蓋范圍更加廣泛以及大數(shù)據(jù)連接等顯著的特性，使得該技術(shù)應(yīng)用的場景范圍得以進(jìn)一步拓展，逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中不可或缺的技術(shù)，并具有廣闊的發(fā)展前景。目前，NB-IoT技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能家居、智慧醫(yī)療以及車聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，具有如下四個(gè)方面的顯著特點(diǎn)：第一，覆蓋范圍更廣。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，NB-IoT技術(shù)在同樣的頻段下，較傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有100倍增益的覆蓋區(qū)域能力；第二，能夠?yàn)榇髷?shù)據(jù)連接提供支撐。根據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，NB-IoT的一個(gè)扇區(qū)，可以支持10萬個(gè)連接，這樣在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面就具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)；第三，功耗相對(duì)更低。根據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，NB-IoT技術(shù)支撐下的終端模塊，電池待機(jī)時(shí)間能超過10年，因此具有超低設(shè)備功耗的顯著特點(diǎn)；第四，成本低廉。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)用該技術(shù)后，企業(yè)單個(gè)的模塊連接成本不會(huì)超過5美元，因此，設(shè)備成本極為低廉。

2 國內(nèi)水環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀分析

我國國內(nèi)對(duì)于水環(huán)境的研究工作，始于20世紀(jì)80年代改革開放之后，發(fā)展到今天，在水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及設(shè)備研究方面，均取得了不俗的成就，但在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面仍存在著一定的不足。目前，我國各地開展的水環(huán)境監(jiān)測工作主要分為實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測、自動(dòng)監(jiān)測站監(jiān)測以及移動(dòng)監(jiān)測這三種方式，所取得的成果主要包括如下幾個(gè)方面：首先，我國技術(shù)人員對(duì)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)及相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行了不同程度的探索，其中，三級(jí)水質(zhì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)具有世界領(lǐng)先性；第二，在研究的過程中，我國的技術(shù)研究人員借助單片機(jī)、PLC、GIS技術(shù)等方面基于光譜特性及污染源監(jiān)測原理等不同方面進(jìn)行了探索，研發(fā)出了多種不同的水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)；第三，在水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備方面，我國的研究人員通過引進(jìn)國外的設(shè)備，并基于我國各地區(qū)獨(dú)特的水文條件，對(duì)引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行了國產(chǎn)化的探索。但就目前而言，我國技術(shù)人員在NB-IoT的水環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用研究尚未深入，研究結(jié)果相對(duì)較少。

3 基于NB-IoT的水環(huán)境在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1 在線監(jiān)測設(shè)備分析

在水環(huán)境在線監(jiān)測工作中運(yùn)用NB-IoT技術(shù)，需要在預(yù)設(shè)的各個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布設(shè)相應(yīng)的采樣設(shè)備，這也是對(duì)水環(huán)境進(jìn)行在線監(jiān)測工作的基礎(chǔ)和前提。但目前我國市場上并沒有成熟的產(chǎn)品可以直接進(jìn)行運(yùn)用，布設(shè)的采樣設(shè)施基本上都是從國外進(jìn)口的，因此，還需要加強(qiáng)對(duì)常規(guī)水環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)。根據(jù)水環(huán)境在線監(jiān)測工作的要求，各采樣點(diǎn)布設(shè)的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備主要的功能就是能夠?qū)τ诓蓸狱c(diǎn)區(qū)域流經(jīng)水體的水質(zhì)主要特征，如水體的清濁度、水質(zhì)的pH值以及水位的高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集。為了確保工作的順利開展，并降低工作的成本，工作人員在選購設(shè)備時(shí)，應(yīng)在不影響數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，盡量采購國內(nèi)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的設(shè)備。此外，在設(shè)計(jì)研發(fā)的過程中，水質(zhì)在線監(jiān)測工作中可能遇到的汛期現(xiàn)象、突發(fā)洪水或者是突發(fā)污染等特殊的情況，為了避免這些情況的出現(xiàn)而影響到設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)針對(duì)性設(shè)計(jì)專用的應(yīng)急監(jiān)測設(shè)備，并制定出切實(shí)可行的監(jiān)測方案。只有這樣從硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境在線監(jiān)測的規(guī)范化管理，并從技術(shù)方面予以明確標(biāo)準(zhǔn)，才能提升數(shù)據(jù)采集的實(shí)施性與可靠性，從而為后續(xù)的工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

3.2 進(jìn)行底層數(shù)據(jù)的采集

在運(yùn)用NB-IoT技術(shù)構(gòu)建水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，為了簡化系統(tǒng)構(gòu)建的過程，并保證其功能，同時(shí)最大限度降低系統(tǒng)的功耗，以及確保數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)傳輸過程中的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)運(yùn)用NB-IoT芯片來對(duì)底層的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這樣不僅可以采集水質(zhì)的信息，同時(shí)還能采集水體的參數(shù)信息，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)被檢測水體的水質(zhì)進(jìn)行初步的評(píng)判。在具體操作中，因?yàn)樗h(huán)境在線檢測系統(tǒng)主要是由核心設(shè)備、網(wǎng)管服務(wù)器、基站以及交換機(jī)等構(gòu)成的，工作人員就需要結(jié)合設(shè)置的采集點(diǎn)或者是實(shí)驗(yàn)室設(shè)置的實(shí)際情況，科學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的架設(shè)，而且在完成系統(tǒng)架設(shè)后，還要對(duì)其進(jìn)行一系列完善的測試工作，從而確保系統(tǒng)的功能復(fù)合監(jiān)測工作的需求，以滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

3.3 水環(huán)境在線監(jiān)測信息管理系統(tǒng)分析

采用在線水環(huán)境監(jiān)測，其信息管理系統(tǒng)的主要功能包括如下幾個(gè)方面：

首先，是進(jìn)行水環(huán)境的數(shù)據(jù)采集。水環(huán)境在線監(jiān)測信息管理系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)以及水質(zhì)預(yù)測模型等一系列的管理，能夠?qū)Ρ槐O(jiān)測水域的水環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)、直觀的信息收集，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可視化表達(dá)，特別是能夠?qū)Ρ槐O(jiān)測水域水環(huán)境數(shù)據(jù)的異常情況予以準(zhǔn)確展現(xiàn)，如水體污染超標(biāo)等緊急情況。同時(shí)還會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。此外還能根據(jù)出現(xiàn)不同的問題，及時(shí)給出相應(yīng)的解決措施和建議。通過這樣的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被監(jiān)測水域水環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)化管理，切實(shí)提高水環(huán)境管理工作的自動(dòng)化程度。最后，該信息管理系統(tǒng)還能方便人們對(duì)于各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢，在最短的時(shí)間內(nèi)將使用者需要的信息，以靜態(tài)方式，或者是動(dòng)態(tài)的方式展現(xiàn)出來。而預(yù)測功能則能對(duì)用戶選擇監(jiān)測的對(duì)象以及參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的水質(zhì)預(yù)測，并將預(yù)測的數(shù)值連同已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)一起輸出，從而為使用者的決策提供準(zhǔn)確的參考[3]。

其次，是進(jìn)行水環(huán)境的狀態(tài)監(jiān)測和查詢工作。在具體運(yùn)用中，工作人員借助相應(yīng)軟件對(duì)被監(jiān)測水域的水環(huán)境進(jìn)行建模和仿真，對(duì)于現(xiàn)場傳感器群采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確定義該水域內(nèi)各監(jiān)測參數(shù)的評(píng)價(jià)等級(jí)，并確定該水域水環(huán)境狀態(tài)的基本函數(shù)，特別是通過對(duì)該水域水環(huán)境的狀態(tài)值進(jìn)行分區(qū)段關(guān)聯(lián)顏色，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對(duì)于各類水體運(yùn)用不同的顏色予以標(biāo)識(shí)，這樣用戶就可以通過該系統(tǒng)的可視化表達(dá)，直觀地獲取該區(qū)域水環(huán)境的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)信息[4]。

最后，是對(duì)水環(huán)境的事故及時(shí)預(yù)警處理。在實(shí)際運(yùn)用中，水環(huán)境在線監(jiān)測信息管理系統(tǒng)還能為環(huán)保部門的水環(huán)境監(jiān)測及預(yù)測工作提供決策支持，特別是可以設(shè)置水環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)警閾值。這樣，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)值達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)警閾值時(shí)，該系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)布警告，并針對(duì)不同數(shù)據(jù)的情況，向用戶提供相應(yīng)的處理建議。

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)水環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，是提升我國水安全的重要手段。而基于NB-IoT通信技術(shù)構(gòu)建水環(huán)境的在線監(jiān)測信息采集工作，利用單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測終端的構(gòu)建。同時(shí)，利用GIS技術(shù)，借助數(shù)學(xué)建模以及系統(tǒng)仿真，構(gòu)建出最優(yōu)的信息監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)的水環(huán)境特征數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的采集，并實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，不僅能對(duì)我國水環(huán)境的水質(zhì)進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的分析，還能對(duì)水域內(nèi)的水位高度及水素進(jìn)行分析，從而為我國河流汛期內(nèi)洪澇災(zāi)害事故進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警。因此，我們必須重視水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，不斷探索基于NB-IoT通信技術(shù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，從而推進(jìn)NB-IoT技術(shù)在水環(huán)境在線監(jiān)測工作中的運(yùn)用。