NB-IoT技術(shù)及其在水文中的應(yīng)用

魏國(guó)晉，張 亞，胡春杰

（1.青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心，青海 西寧 800001；2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012）

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，將江河、湖泊、水庫等流域的水位、雨量、流速等水文數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理、預(yù)警的水文測(cè)報(bào)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。當(dāng)前，水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用的無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙、WIFI、蜂窩移動(dòng)通信4G、ZigBee等，但針對(duì)通信距離遠(yuǎn)、低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)布置靈活的無線通信，現(xiàn)有的無線通信技術(shù)難以適用。NB-IoT技術(shù)是一種新興的LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))技術(shù)，具有遠(yuǎn)距離、低功耗、低速率、低成本、靈活組網(wǎng)等特點(diǎn)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，水文傳感器數(shù)量相應(yīng)地也越來越多，所以NB-IoT技術(shù)在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)中的應(yīng)用已勢(shì)在必行[2-3]。

1 低功耗廣域網(wǎng)

低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是一種低功耗遠(yuǎn)距離的無線通信網(wǎng)絡(luò)；其由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點(diǎn)更適合于大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署[4]。相較于熟悉的Zig-Bee、Bluetooth、Wi-Fi無線通信方式，LPWAN的傳輸距離更遠(yuǎn)，一般為公里級(jí)，其鏈接預(yù)算（linkbudget）可達(dá)160 dBm，而Bluetooth和ZigBee一般在100 dBm以下。相比傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（2G、3G），LPWAN的功耗更低，電池供電設(shè)備使用壽命可達(dá)數(shù)年。速率與覆蓋范圍如圖1所示。

圖1 速率與覆蓋范圍

2 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)

NB-loT是一種授權(quán)頻譜的蜂窩通信技術(shù)，是3GPP針對(duì)LPWA定義的新一代蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。NB-loT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的頻段，可直接復(fù)用現(xiàn)有的基站設(shè)備，直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，減少部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，使運(yùn)營(yíng)商高效地切入物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)[5-7]。

2.1 低功耗

低功耗是NB-IoT最關(guān)鍵特點(diǎn)之一，而PSM、eDRX對(duì)于NB-IoT低功耗的作用更不言而喻，PSM、eDRX兩種模式具體介紹如下：

1）PSM（Power Saving Mode）

PSM即低功耗模式，NB-IoT進(jìn)入PSM狀態(tài)除定時(shí)器開啟，其余部分完全處于關(guān)機(jī)態(tài)，大大降低了整個(gè)模塊的功耗，處于最省電狀態(tài)。PSM模式下電流消耗如圖2所示。

圖2 PSM模式功能示意圖

NB-IoT處理完任務(wù)之后轉(zhuǎn)為空閑態(tài)，然后將會(huì)開啟Active定時(shí)器，其超時(shí)后進(jìn)入PSM模式。NBIoT在空閑狀態(tài)時(shí)正常接收處理尋呼，進(jìn)入PSM模式后不再處理接收尋呼。當(dāng)TAU周期請(qǐng)求定時(shí)器（Tracing Area Update）超時(shí)或者需要上行數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)nit時(shí)才會(huì)跳出PSM模式。Unit在PSM模式下處于睡眠狀態(tài)，但網(wǎng)絡(luò)中Unit的狀態(tài)依舊是注冊(cè)。在此模式下僅有RTC模塊正常工作。所以功耗能夠低至微安級(jí)別，從而大大提升了整體待機(jī)水平。由于PSM模式下監(jiān)聽功能失能，所以應(yīng)用的業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)要求不能過高。

2）eDRX(extended Discontinues Reception)模式

DRX(Discontinuous Reception)為不連續(xù)接收模式，而eDRX為擴(kuò)展不連續(xù)接收模式，也就是對(duì)原DRX技術(shù)的增強(qiáng)，使通信模塊監(jiān)聽的網(wǎng)絡(luò)尋呼周期增長(zhǎng)，減少Unit監(jiān)聽尋呼、Unit連接入網(wǎng)、Idle狀態(tài)的頻率，從而降低Unit功耗，在Idle狀態(tài)下，eDRX周期為20.18 s～2.92 h，連接狀態(tài)下周期可以延長(zhǎng)到10.24 s。對(duì)于數(shù)據(jù)交互量較大以及低延時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景，周期性TAU和Unit自主喚醒頻率會(huì)很高，而PSM模式下喚醒需要信令交互。故對(duì)于不適用PSM模式的場(chǎng)景可通過靈活設(shè)置eDRX周期來節(jié)省功耗。

對(duì)于eDRX，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信的要求，如時(shí)延、交互頻率，選擇最優(yōu)化的eDRX周期，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行配置eDRX的連接周期和空閑周期；并且可以同時(shí)使用eDRX與PSM模式，擬達(dá)到最大省電效果。eDRX與DRX的PTW周期（Paging）對(duì)比如圖3所示。

圖3 eDRX與DRX功能對(duì)比示意圖

2.2 深度覆蓋

在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益提升了20 dB，覆蓋能力擴(kuò)大了100倍，即使在地下車庫、地下室、地下管道等信號(hào)難以到達(dá)的地方也同樣能覆蓋[8]。

2.3 海量連接

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)，200 kHz帶寬下單基站小區(qū)可支持5萬用戶[9-10]；同時(shí)進(jìn)行了海量存儲(chǔ)和接入控制的優(yōu)化，適合海量接入的場(chǎng)景。

3 NB-IoT技術(shù)在水文中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

NB-IoT技術(shù)在水文中的應(yīng)用系統(tǒng)可以分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用層主要包括PC客戶端、手機(jī)、筆記本等。用戶通過PC客戶端或移動(dòng)客戶端查詢讀取數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)，主要實(shí)現(xiàn)用戶與水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的交互工作。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要包括NB-IoT傳輸模塊和RTU等。NB-IoT傳輸模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并傳輸給NB-loT云端服務(wù)器，RTU關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、控制等。

感知層包括水位傳感器、雨量傳感器、墑情傳感器、水質(zhì)傳感器等。這些傳感器通過串口RS485或RS232與RTU連接，RTU發(fā)送指令讀取水位、雨量、含水量、水質(zhì)等傳感器中的參數(shù)值,并由NB-loT傳輸模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給NB-loT云端服務(wù)器。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)水文信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則[11-13]，其硬件設(shè)計(jì)可分為數(shù)據(jù)采集、主控板、NB-loT通信模塊及供電模塊，硬件架構(gòu)圖5所示。

圖5 硬件架構(gòu)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集層

1）水位計(jì)

雷達(dá)水位計(jì)是一種非接觸式水位傳感器，其計(jì)算公式如式（1）所示。

其中，D為雷達(dá)水位計(jì)與液體表面的距離，c代表波速，是一個(gè)常數(shù)，T代表信號(hào)發(fā)射時(shí)間與接收時(shí)間的時(shí)間差，由式（1）可算出水位傳感器到液面的距離。該設(shè)計(jì)采用國(guó)產(chǎn)雷達(dá)水位計(jì)[14]，硬件設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 雷達(dá)水位計(jì)硬件設(shè)計(jì)

2）翻斗式雨量傳感器

文中采用江蘇南水設(shè)計(jì)生產(chǎn)的JDZ05-1型翻斗式雨量傳感器，其分辨力為0.5 mm，誤差為±3%，雨強(qiáng)范圍在0～4 mm/min，硬件設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 雨量傳感器硬件設(shè)計(jì)

3.2.2 主控板

主控板是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要用于傳感器數(shù)據(jù)采集、水文數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)。文中采用較低功耗、處理性能相對(duì)較強(qiáng)的STM32單片機(jī)（STM32 L475VET6）。STM32L475VET6與MSP430功耗對(duì)比如表1所示。

表1 STM32L475VET6與MSP430功耗對(duì)比

STM32L475VET6的特點(diǎn)[15-16]如下：

1）性能強(qiáng)勁，處理速度快。

2）低功耗。STM32L475VET6具備F系列主控的3種低功耗模式，與MSP430低功耗相比，不但性能好，而且功耗低。

3）大存儲(chǔ)。STM32L475VET6內(nèi)部有高達(dá)512 kB大小的Flash，支持讀寫同步。

3.2.3 通信單元

文中采用NB-loT通信模塊型號(hào)BC28，兼容上海移元通信GSM的M26模塊，便于客戶升級(jí)，并且支持多種協(xié)議棧。BC28通信模塊如圖8所示。

圖8 BC28通信模塊

3.3 應(yīng)用方案

隨著水利信息化的不斷發(fā)展，水文站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)低功耗、低速率、靈活組網(wǎng)等需求迫在眉睫[17-18]。NB-IoT技術(shù)就是一種面向遠(yuǎn)距離通信、低速率、低功耗、低成本和大規(guī)模組網(wǎng)的技術(shù)，通過水位計(jì)、雨量計(jì)等傳感器進(jìn)行水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，NB-IoT傳輸模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)傳輸給NB-loT云端服務(wù)器，最后傳輸?shù)剿臄?shù)據(jù)中心，非常適用于水文行業(yè)，其應(yīng)用方案如圖9所示。

圖9 NB-IoT技術(shù)在水文上應(yīng)用方案

4 結(jié)束語

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為L(zhǎng)PWAN(低功耗廣域網(wǎng))的代表，被廣泛、智慧地應(yīng)用在生活中的各個(gè)領(lǐng)域，如基于NB-IoT技術(shù)的共享單車、井蓋檢測(cè)、抄水表、POS機(jī)等。NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的突破性技術(shù)，具有支持遠(yuǎn)距離通信、海量連接、廣覆蓋、低功耗、低成本等特點(diǎn)，非常適用于遠(yuǎn)距離低速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)方面。水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)具有站點(diǎn)多、通信距離遠(yuǎn)、連接多等特性，因此，NB-IoT技術(shù)同樣適用于水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)，且滿足水文站點(diǎn)野外惡劣的環(huán)境要求，未來的NB-IoT技術(shù)必然在水文水資源領(lǐng)域大放異彩。