基于NB-IoT的水環(huán)境在線監(jiān)測關鍵技術研究

湯澤軍

摘要：針對城市生活用水安全隱患，提出“基于NB-IoT的水環(huán)境在線監(jiān)測方案”，為實現(xiàn)該方案須突破以下四個方面的關鍵技術問題：其一，水環(huán)境監(jiān)測儀的研制：包括用于河流、湖泊、水庫等城市主要水域的水質監(jiān)測設備;以及對居民生活小區(qū)到戶的水環(huán)境進行監(jiān)測的水質檢測儀，以對飲用水水質把好最后一關。其二，實現(xiàn)魯棒的傳感器網(wǎng)絡：對于城市水環(huán)境在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)采樣點眾多，為實現(xiàn)最穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸，須實現(xiàn)最優(yōu)的傳感器網(wǎng)絡，并據(jù)此完成對各端點檢測儀的設備安裝及維護。其三，實時數(shù)據(jù)通信技術：本項目可望解決現(xiàn)代智慧城市水環(huán)境的全數(shù)據(jù)監(jiān)控，其采集數(shù)據(jù)信息不僅僅應用于水污染的判斷，同時兼顧汛期或水位的監(jiān)控，實現(xiàn)城市水環(huán)境的多方面監(jiān)控功能。擬在底層采用NB-IoT技術，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集及通信。其四，基于NB-IoT的水環(huán)境在線監(jiān)測信息系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)監(jiān)測信息的獲取、存儲、分析、管理、表達評估和輔助決策。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術;教育;應用

中圖分類號：G712.3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）12-0240-02

水污染問題日益嚴重，由于化工產業(yè)廢物污染水源，導致半數(shù)以上江河湖泊水資源受到嚴重污染，多地出現(xiàn)“癌癥村”。這些重大的水污染事件都只是觸目驚心水質污染的冰山一角。家門口的河流，樓房上的二次供水塔等成為人們憂心所在。因此，水資源保護尤為重要，而水質監(jiān)測是水資源保護的“眼睛”。在未來智慧城市生活中，為了實現(xiàn)人們安全的飲水及水資源生活環(huán)境，亟需解決水環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、記錄、水質狀態(tài)數(shù)據(jù)報告等，這些數(shù)據(jù)不僅用于城市生活水資源的管理，也可以用于汛期防洪決策參考。

1水環(huán)境在線監(jiān)測研究現(xiàn)狀

1.1國外水環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀

美國學者Seong-Hee Kim等研究了傳感器測量誤差對河流系統(tǒng)水質監(jiān)測網(wǎng)絡設計的影響，提出當優(yōu)化算法與統(tǒng)計過程控制方法相結合時，可以得到魯棒的傳感器位置。該團隊開發(fā)了一種傳感器測量誤差概率模型，將其嵌入到河流系統(tǒng)的仿真模型中，并結合閾值的優(yōu)化算法找到魯棒的傳感器網(wǎng)絡。英國學者J.P.R. Sorensen等針對英國常用的微生物指標一一濁度，評估了在線熒光光譜法用于未經處理的飲用水水質微生物實時評價的效用，提出在線色氨酸熒光（TLF）和腐殖酸類熒光（HLF）跟公共供水中的大腸桿菌CON濃度和細菌總數(shù)密切相關。英國學者Nick A.Chappell等提出一種系統(tǒng)建模過程，允許客觀識別采樣率，以避免在強降雨時的混疊。匈牙利學者Boudewijn根據(jù)衛(wèi)星圖像和已知水體的地圖，監(jiān)測大面積的內陸過量水，以了解洪水的發(fā)展程度和方向，以減輕它們對農業(yè)部門的破壞和基礎設施建設。巴西學者Schneider通過分析水質指數(shù)（WQI）——九個理化指標和微生物狀態(tài)指數(shù)和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI），監(jiān)測巴西南部Taqi-Autas流域的淺層水質來評估養(yǎng)豬場污染。澳大利亞學者Mary Drikas等在配電系統(tǒng)中監(jiān)測水質變化，確保在用戶水龍頭中提供優(yōu)質水。隨著各國環(huán)保意識的增強，水環(huán)境在線監(jiān)測已成為研究熱點。歐美等發(fā)達國家已具備較為成熟的水環(huán)境監(jiān)測技術，正借助新技術，將水環(huán)境監(jiān)測推向更便捷、更精準、更及時的領域。盡管各國科學家們在水環(huán)境監(jiān)測方面從多角度進行研究也取得成績，但是目前尚無將NB-IoT技術應用于水環(huán)境監(jiān)測的研究。

1.2國內水環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀

自20世紀80年代，經過二十多年的研究與發(fā)展，我國在水環(huán)境監(jiān)測領域的自主設備和技術都取得了長足的進步，但仍然停留在技術研究層面，在將技術產業(yè)化方面做得不夠。國內水環(huán)境監(jiān)測主要有實驗室監(jiān)測、自動監(jiān)測站監(jiān)測、移動監(jiān)測三種方式，主要在以下幾個方面取得了一定成果：①在線水質監(jiān)測系統(tǒng)及其關鍵技術的探索，包括基于WEB的水質自動監(jiān)測系統(tǒng)、基于無線傳感器網(wǎng)絡的水質在線監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的水質監(jiān)測技術研究等，其中邊際提出的三級水質監(jiān)控網(wǎng)絡構建關鍵技術研究與示范體現(xiàn)了先進性。②水質監(jiān)測技術的研究，有基于單片機或PLC、GIS、光譜特性、污染源監(jiān)測等不同原理的水質監(jiān)測技術;③對于水質監(jiān)測設備的研究：包括船載水質高密度在線監(jiān)測、移動式水質自動監(jiān)測、水質監(jiān)測材料設備研發(fā)與國產化探索。將NB-IoT應用于水環(huán)境監(jiān)測的研究尚不多見。

2NB-IoT的應用特點

物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術主要分為短距離通信技術和廣域網(wǎng)通信技術即LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）兩類。NB-IoT是近來LPWAN技術中的熱門，屬于工作于授權頻譜下的廣域網(wǎng)通信技術，聚焦于低功耗廣覆蓋（LP-WA）物聯(lián)網(wǎng)（IOT）市場，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優(yōu)等特點，可在全球范圍內廣泛應用。NB-IoT目前已廣泛應用于智能抄表、智能車鎖類應用等，在穿戴式應用方面，基于NB-IoT技術的智能自行車、智能拉桿箱;NB-IoT技術和傳感器結合實現(xiàn)對農作物的實時監(jiān)控;基于NB-IoT的智能電網(wǎng)監(jiān)測;NB-IoT智能鎖，智能停車等。

3基于NB-IoT的水環(huán)境在線監(jiān)測

3.1在線監(jiān)測設備

分布在各采樣點的采樣設備是水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎設施。對于常規(guī)水環(huán)境監(jiān)測設備的研制。由于市場上尚無成熟的產品可直接使用，因此，項目組須自行研制。該監(jiān)測設備的主要功能即實現(xiàn)對水質主要特征數(shù)據(jù)的實時采集：包括水的濁度，PH值，水位高度等。為確保項目的可行性，在不影響采樣數(shù)據(jù)準確性和實時性的前提下，盡量采用低成本的產品。用于應急監(jiān)測的專用監(jiān)測設備的選型及設計。針對汛期、突發(fā)洪水、突發(fā)污染等特殊情況，設計專用的應急監(jiān)測設備，包括便攜式實地監(jiān)測、移動監(jiān)測等方案。在硬件上實現(xiàn)水環(huán)境在線監(jiān)測儀表安裝驗收及數(shù)據(jù)管理的規(guī)范化，從技術上明確在線監(jiān)測儀安裝驗收流程和數(shù)據(jù)采集標準，保障在線監(jiān)測儀運行的可靠性以及數(shù)據(jù)采集的有效性。

針對應急情況開發(fā)移動式的水環(huán)境監(jiān)測儀器，該儀器可在污染事故發(fā)生后臨時替補常規(guī)監(jiān)測設備，確保污染后處理的及時性。水環(huán)境在線監(jiān)測信息管理系統(tǒng)能對城市的整體水域分布圖進行按不同水質狀態(tài)進行分顏色動態(tài)標注?？煽康乃h(huán)境在線監(jiān)測信息采集及在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，同時考慮到應急監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，在前述基礎上，搭建系統(tǒng)監(jiān)控中心，通過軟件實現(xiàn)監(jiān)控中心與各信息源端的信息交互。

3.2NB-IoT底層數(shù)據(jù)采集

為簡化終端的復雜性、降低終端功耗，同時確保實時數(shù)據(jù)傳輸，選用NB-IoT芯片進行底層數(shù)據(jù)的采集，該系統(tǒng)集成了看門狗、Flash和電池管理，并預留了傳感器集成功能?？梢圆杉|信息，同時還能采集水體的參數(shù)信息，并依據(jù)被電解的水體的顏色對水質做出初步判斷。為切實保證監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)收集、傳輸和處理上的即時性和有效性。監(jiān)控系統(tǒng)包括核心設備、網(wǎng)管服務器、基站和交換機等，結合實驗點的實際情況，在現(xiàn)場進行系統(tǒng)架設，并對安裝的質量進行測試，確保系統(tǒng)的信號覆蓋良好，滿足實驗要求。

3.3魯棒的傳感器網(wǎng)絡布局

通過數(shù)學建模及系統(tǒng)仿真確立水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)點的最優(yōu)布局方案。以城市水域分布圖為例，探索針對城市水環(huán)境監(jiān)測，為獲取可靠的水環(huán)境數(shù)據(jù)，確定最優(yōu)的傳感器網(wǎng)絡布局，實現(xiàn)魯棒的傳感器網(wǎng)絡。通過現(xiàn)場試驗，對量程漂移、零點漂移、實際水樣比對誤差等，對在線儀器檢測穩(wěn)定性有較大影響的參數(shù)進行了評價和規(guī)范;研究清洗、校驗對在線監(jiān)測設備運行狀態(tài)的影響，分析在線監(jiān)測值與實驗室標準方法檢測值之間的比對偏差，確定在線監(jiān)測設備的維護內容和維護周期。

3.4水環(huán)境在線監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

采用在線的水質水量監(jiān)測傳感器、變送及控制器，以連接異地、異質傳感器或現(xiàn)地設備的廣域計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫為基礎，實現(xiàn)水環(huán)境要素的實時、高精度的在線自動監(jiān)測，以及監(jiān)測信息的獲取、存儲、分析、管理、表達評估和輔助決策。系統(tǒng)主要功能包括：

3.4.1水環(huán)境數(shù)據(jù)采集

集成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和水質預測模型的管理系統(tǒng)，能夠實時、直觀地對區(qū)域水環(huán)境信息進行可視化表達，自動響應監(jiān)測值超標的緊急情況并給出應對措施建議，配合系統(tǒng)的自動警報和決策支持功能，系統(tǒng)實現(xiàn)對區(qū)域水相關數(shù)據(jù)的動態(tài)管理，提高區(qū)域水環(huán)境管理的自動化程度。系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，包括靜態(tài)查詢和動態(tài)顯示。預測功能對用戶選擇的監(jiān)測對象和參數(shù)進行水質預測，并將預測數(shù)值同已有監(jiān)測值一起進行輸出，也可將預測數(shù)值實時顯示在動態(tài)數(shù)據(jù)框中，并將預測數(shù)據(jù)作為警報觸發(fā)值進行判斷。

3.4.2水環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測與查詢

通過建模與仿真，對現(xiàn)場傳感器群采集的數(shù)據(jù)，定義區(qū)域內各監(jiān)測參數(shù)的評價等級，確定水環(huán)境狀態(tài)的基本函數(shù)，對水環(huán)境狀態(tài)值進行分區(qū)段關聯(lián)顏色，對各類水體的實時監(jiān)測值用不同顏色進行空間標識，用戶通過可視化的表達直觀地獲取自動化的水環(huán)境評價信息。

3.4.3水環(huán)境事故預警

為能為環(huán)保部門提供水環(huán)境監(jiān)測和預測提供決策支持，設置水環(huán)境關鍵參數(shù)的預警閾值，當數(shù)據(jù)值達到設定的預警閾值時，系統(tǒng)自動告警，并針對不同數(shù)據(jù)情況向用戶提供應對處理的建議，并形成告警信息報告和應對措施指南?；贜B-IoT的水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，在各個水質監(jiān)測的點位安裝相應的傳感器，各傳感器采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT發(fā)送到移動網(wǎng)絡，經過移動數(shù)據(jù)中心，最后通過最接近用戶的云服務器在手機用戶終端和監(jiān)控終端之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。通過用戶層軟件設計，為用戶提供的針對不同數(shù)據(jù)集所表示的圖層及地圖文檔進行縮放、拖動，保存、輸出等。

4結束語

水環(huán)境監(jiān)測信息采集點的布局：利用嵌入式系統(tǒng)設計水質監(jiān)測終端，利用GIS技術、通過數(shù)學建模和系統(tǒng)仿真構建最優(yōu)的信息監(jiān)測用的傳感器網(wǎng)絡，用以各水環(huán)境特征數(shù)據(jù)的采集。在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸：基于NB-IoT通信技術，實現(xiàn)各信息源點的數(shù)據(jù)與監(jiān)控中心之間的實時傳輸。系統(tǒng)內部實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及實時報告機制：利用數(shù)據(jù)庫技術和物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)信息的融合、分析。水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的拓展應用：城市水環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅是對水質的分析，同時對汛期事故易發(fā)點提供水位或流速監(jiān)測，可為城市抗洪防汛部門提供數(shù)據(jù)參考。