窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航標(biāo)遙測遙控中的應(yīng)用

鞏海方 姜書成

摘? 要：航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)是為實現(xiàn)航標(biāo)信息化管理而開發(fā)的一套高性能、跨平臺、具有良好擴展性的軟件系統(tǒng)，但隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)綁定的通信卡遇到了無法辦理的問題。本文就窄帶物聯(lián)網(wǎng)卡在航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用進行探討，提出了提高航標(biāo)遙測遙控覆蓋率的途徑和方法。

關(guān)鍵詞：窄帶;遙測遙控;物聯(lián)網(wǎng);傳輸速率;監(jiān)控

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其優(yōu)勢

1.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)概念

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是由3GPP（《第三代伙伴計劃協(xié)議》）標(biāo)準化組織定義的一種技術(shù)標(biāo)準，是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的窄帶射頻技術(shù)。這種技術(shù)可應(yīng)用于GSM網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)。2015年9月，國際電聯(lián)正式對外公布了物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準，將LTE-M更名為NB-IOT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）。

1.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢

（1）海量連接

與傳統(tǒng)的2G/3G/4G相比，NB-IoT有50～100倍的上行容量提升，200kHz帶寬下單基站小區(qū)可支持5萬用戶。因此，與現(xiàn)有無線技術(shù)相比，NB-IoT可以提升50～100倍的接入數(shù)，同時進行了海量存儲和接入控制的優(yōu)化，適合海量接入的場景。

（2）深度覆蓋

NB-IoT無線技術(shù)提升了功率譜密度，NB-IoT比LTE提升20dB增益，即覆蓋能力提升100倍，很好地實現(xiàn)了廣域覆蓋，即使在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也能覆蓋到。

（3）低功耗

NB-IoT節(jié)電技術(shù)DRX（Discontinuous Reception）和PSM（Power Saving Mode），通過減少不必要的信令和在PSM狀態(tài)時不接受尋呼信息來達到省電的目的，可讓設(shè)備時時在線，保障電池5年以上的使用壽命。

（4）低成本

NB-IoT核心網(wǎng)相對傳統(tǒng)EPC核心網(wǎng)增加了“小包數(shù)據(jù)控制面?zhèn)鬏攦?yōu)化、節(jié)電優(yōu)化（PSM、eDRX）”，信令流程簡化、大幅降低消息交互，實現(xiàn)NB-IoT的低移動性接入。低速率、低復(fù)雜度帶來的是低成本，NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相關(guān)，尺寸越小，成本越低，NB-IoT在射頻上做了優(yōu)化，模塊的成本隨之變低。

2 航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)及其組成特點

2.1 航標(biāo)遙測系統(tǒng)組成特點

航標(biāo)運行信息監(jiān)控系統(tǒng)（航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)）是為實現(xiàn)航標(biāo)信息化管理而開發(fā)的一套高性能、跨平臺、具有良好擴展性的軟件系統(tǒng)。它運用現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，將分散的航標(biāo)技術(shù)信息通過多種通信方式基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集中起來，運用相關(guān)的信息科學(xué)進行數(shù)據(jù)分析，通過RIA（富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）技術(shù)將結(jié)果直觀全面的呈現(xiàn)給用戶;通過高效簡潔的用戶界面，用戶可以實時的監(jiān)控航標(biāo)終端的運行狀態(tài)，及時的發(fā)現(xiàn)和處理航標(biāo)終端運行中出現(xiàn)的故障和問題，提高了航標(biāo)管理效率，提升了航標(biāo)的可利用率。系統(tǒng)采取了基于Flex系列技術(shù)的數(shù)據(jù)交互架構(gòu)，可用于構(gòu)建具有豐富表現(xiàn)力的 Web應(yīng)用程序，運行時跨瀏覽器、桌面和操作系統(tǒng)實現(xiàn)一致的部署。安裝于燈浮標(biāo)上的遙測遙控終端采集燈浮標(biāo)工作參數(shù)后，通過通信網(wǎng)將數(shù)據(jù)遠程傳送到航標(biāo)管理中心，配套的軟件進行數(shù)據(jù)分析處理，實現(xiàn)燈浮標(biāo)實時監(jiān)控和故障報警、回放、存儲等功能。

2017年，北海航海保障中心對轄區(qū)各處遙測遙控系統(tǒng)進行了升級改造，航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)升級完成后，解決了遙測遙控系統(tǒng)與基礎(chǔ)信息庫航標(biāo)信息實時同步、關(guān)聯(lián)綁定、終端燈器調(diào)試及優(yōu)化等問題，目前已完成海區(qū)、天津、秦皇島、大連、營口、煙臺轄區(qū)遙測遙控系統(tǒng)升級改造工作，共有1 108座航標(biāo)實現(xiàn)遙測遙控。升級前遙測遙控系統(tǒng)中只包含數(shù)據(jù)庫中的一部分信息，升級后則完全同步，數(shù)據(jù)庫中的信息在遙測遙控系統(tǒng)中實現(xiàn)自動全覆蓋，從而實現(xiàn)類別統(tǒng)計、遙測遙控率統(tǒng)計、報表統(tǒng)計等新功能。升級后的系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功能完善，操作方便，失常航標(biāo)信息準確，為監(jiān)控航標(biāo)運行狀態(tài)提供了更易用、更可靠的管理平臺，克服了因信息交互不及時導(dǎo)致的航標(biāo)恢復(fù)滯后問題。

2.2 系統(tǒng)終端存在的問題及解決辦法

對于航標(biāo)而言，其大多布設(shè)在開闊水域，其供電方式大多采用太陽能板加鋰電池的形式，其中鋰電池的生產(chǎn)和廢棄都會造成一定程度的污染，所以在滿足實際需求的前提下盡量降低負載功耗是降低環(huán)境污染的一個重要途徑。航標(biāo)消耗電能主要由照明和數(shù)據(jù)通信組成，就數(shù)據(jù)通信而言，傳統(tǒng)航標(biāo)大多依靠2G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)浙江移動物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室測試報告，通過對選取的3家物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）模組與2G（GPRS）模組進行各工作狀態(tài)下的耗電分析，可以得出NB-IoT在低功耗上具有明顯優(yōu)勢，無論是聯(lián)網(wǎng)峰值電流還是PSM休眠模式，功耗都要遠遠低于傳統(tǒng)2G模組。所以從節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策出發(fā)，有必要對航標(biāo)遙測遙控終端的通信方式進行升級改造。

2018年1月，北海航海保障中心基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的智能航標(biāo)終端研發(fā)測試成功，開始正式商用。利用NB-IoT技術(shù)結(jié)合傳感器，通過采集航標(biāo)電壓、電流、經(jīng)緯度，溫濕度，電池狀態(tài)等動態(tài)信息實現(xiàn)針對航標(biāo)的實時監(jiān)控，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)回傳至航標(biāo)管理平臺和手機APP，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后實現(xiàn)航標(biāo)狀態(tài)告警、位置偏移等報警功能。利用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、低延遲、低功耗、支持海量連接、穩(wěn)定可靠的特點，將有效解決現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)在航道縱深較長時信號覆蓋弱、長延遲、通信不穩(wěn)定等問題，增加航標(biāo)終端數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、實時性，大幅提高航標(biāo)終端的適用性和分布范圍?；贜B-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的新型航標(biāo)燈器，是NB-IoT技術(shù)在航標(biāo)設(shè)備領(lǐng)域的首次應(yīng)用，達到國際領(lǐng)先水平，NB-IoT智能航標(biāo)終端的應(yīng)用，讓用戶真正體驗到物聯(lián)網(wǎng)的絕佳應(yīng)用場景，也必將成為未來航標(biāo)終端發(fā)展趨勢。

3 具體的技術(shù)方案

由于此次遙測遙控終端升級涉及范圍較大且投入成本較多，為保證遙測遙控終端升級的順利實施，設(shè)置幾組終端進行試驗。以天津港海域為例，此次試驗的終端通信技術(shù)采用的為支持中國電信的NB-IoT技術(shù)，圖1、圖2為天津港南錨地沉船浮標(biāo)和新港12號燈浮標(biāo)位置和通信情況。

由于航標(biāo)不但涉及海上安全也會涉及運營費用，同時還涉及運營商信號是否穩(wěn)定，所以前期通過與天津地區(qū)中國移動協(xié)商，由中國移動提供NB-IoT通信測試設(shè)備，在天津航標(biāo)處對航標(biāo)進行巡檢的過程中進行移動NB-IoT信號測試。2018年2月6日，對天津港主航道和大沽沙航道其信號進行測試，并對天津港主航道利用“海巡15020”輪進行測試，“海巡15020”輪行駛的軌跡在11：30—12：30時間段，沒有數(shù)據(jù)傳送到平臺，其余時間段船行駛路線信號均沒有問題，此處海域據(jù)天津港陸地最近約28 km，距離曹妃甸最近約18 km;對于大沽沙航道利用“海巡15002”輪進行測試，“海巡15002”輪行駛的軌跡一直都有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_，但信號傳輸中有一段（11：20-11：25）比較弱，此處海域距陸地較遠約25 km，其余時間段船行駛路線信號均沒有問題。

參考文獻

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