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

姚明明

(山東科泰環(huán)境監(jiān)測有限公司，山東 臨沂 276000)

水污染的原因有很多，工業(yè)廢物廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)肥料都會導(dǎo)致地區(qū)水污染日益嚴(yán)重。有些地區(qū)水資源被污染之后沒有得到有效治理，當(dāng)?shù)鼐用駴]有健康的水資源可以使用，而使用污染嚴(yán)重超標(biāo)的水源會導(dǎo)致眾多疾病甚至癌癥的發(fā)生，因此加強水環(huán)境在線監(jiān)測迫在眉睫，是保護(hù)居民健康用水的有效手段。

1 水環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展情況

1.1 國內(nèi)水環(huán)境監(jiān)測

我國水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷史已經(jīng)超過60年，目前已經(jīng)取得一定成效和令人矚目的技術(shù)成果，但是還沒有將先進(jìn)的技術(shù)與水環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用進(jìn)行有效地融合，因此我國水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)仍然需要進(jìn)一步發(fā)展，才能發(fā)揮出更大社會效益。水環(huán)境被污染破壞與工業(yè)生產(chǎn)關(guān)系緊密，18世紀(jì)工業(yè)革命之后工程數(shù)量逐漸增多，環(huán)境污染和水污染日益嚴(yán)重。我國受限于時代，環(huán)境水資源并沒有立刻被污染，這個時期水資源的在線監(jiān)測技術(shù)并沒有發(fā)展空間。建國之后我國大力發(fā)展工業(yè)，環(huán)境和水資源的污染日益嚴(yán)重，水資源在線監(jiān)測技術(shù)在同一時間起步。改革開放之后，我國人民的生活水平和國民生產(chǎn)水平日益提高，逐漸在世界上取得重要地位，此時開始了對環(huán)境和水資源的凈化治理，水環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)在該時期蓬勃發(fā)展。如今我國正在從傳統(tǒng)工業(yè)化向現(xiàn)代工業(yè)化的方向轉(zhuǎn)變，水環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)越來越重要，并且開始與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合，已經(jīng)具備實現(xiàn)水環(huán)境在線監(jiān)測的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)，預(yù)計在不久之后，水資源在線監(jiān)測技術(shù)即可在萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)下實現(xiàn)。

1.2 國外水環(huán)境監(jiān)測

國外水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展歷史比我國悠久得多，根據(jù)國內(nèi)水環(huán)境監(jiān)測發(fā)展情況分析可知，水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展情況與水資源污染情況具有直接關(guān)系，而水資源污染是否嚴(yán)重主要看當(dāng)?shù)貒业墓I(yè)化發(fā)展水平。國外在工業(yè)革命之后大力推動工業(yè)化進(jìn)程，英國在19世紀(jì)末20世紀(jì)初左右工業(yè)生產(chǎn)總值最高超過了世界總值一半以上，后來德國、美國工業(yè)水平也逐漸升高，一戰(zhàn)和二戰(zhàn)直接帶動美洲、歐洲、澳洲、非洲等國家工業(yè)水平的提高。在時代背景下國外水資源監(jiān)測技術(shù)發(fā)展需求比較迫切，經(jīng)過百年的發(fā)展，水資源監(jiān)測在國外已經(jīng)形成了多個研究體系以及分析模型[1]。美國學(xué)者提出利用魯棒傳感器對河流水污染情況進(jìn)行檢測，英國學(xué)者在水污染情況監(jiān)測過程中定義了濁度的概念，其他國家也有學(xué)者提出利用衛(wèi)星圖像對區(qū)域水體污染情況進(jìn)行監(jiān)測。但是受限于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展速度，國內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)并沒有拉開太大差距，反而在物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)后雙方處在同一起跑線上，總體來說目前國內(nèi)外研究重點都是如何將物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到水環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)中[2]。

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

2.1 NB-IoT的應(yīng)用情況和特點

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）指的是窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，為蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造、只需要使用180 kHz的帶寬即可直接應(yīng)用到GSM、UMTS、LET網(wǎng)絡(luò)中，因此該技術(shù)應(yīng)用可以逐漸升級，對水環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)研發(fā)來說不存在技術(shù)發(fā)展落后的情況。目前NB-IoT主要應(yīng)用到設(shè)備中，因此設(shè)備與電力系統(tǒng)的連接是阻礙NB-IoT覆蓋率提升的主要原因。有些研發(fā)機構(gòu)直接采用電池為NB-IoT設(shè)備供電，這樣即可直接解決NB-IoT設(shè)備電力系統(tǒng)的問題，但是目前NB-IoT設(shè)備的電池壽命是影響其應(yīng)用的主要因素，電池領(lǐng)域還需要進(jìn)一步突破才能提高NB-IoT設(shè)備應(yīng)用的實用性和經(jīng)濟(jì)性。

NB-IoT屬于物聯(lián)網(wǎng)和萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一種，因此二者所擁有的特點NB-IoT同樣擁有，覆蓋率高、連接廣泛、應(yīng)用成本低、能耗低、蜂窩架構(gòu)方便、寬度要求低等特點使其具備大范圍推廣的基礎(chǔ)。目前，智能鎖、智能電表、智能監(jiān)控等領(lǐng)域都在不斷推動NB-IoT的應(yīng)用，水環(huán)境在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)也不例外[3]。

2.2 在線監(jiān)測設(shè)備

NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的原理與物聯(lián)網(wǎng)相同，因此離不開對傳感器等在線監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用。如果NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)對傳感器的需求沒有太大變化，即可直接從市場中采購相關(guān)在線監(jiān)測設(shè)備對水質(zhì)進(jìn)行濁度監(jiān)測、pH值監(jiān)測、水位監(jiān)測。但是市場在線監(jiān)測設(shè)備不能滿足NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測功能時，則需要結(jié)合已有傳感器進(jìn)行改進(jìn)，使在線監(jiān)測設(shè)備在功能增加的同時不影響其在線監(jiān)測精度，這樣才能實現(xiàn)水資源環(huán)境在線監(jiān)測。除此之外，NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)實現(xiàn)之后，還應(yīng)該統(tǒng)一在線監(jiān)測設(shè)備的接口，否則在線監(jiān)測設(shè)備會阻礙NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的推廣。

2.3 NB-IoT數(shù)據(jù)采集

NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面必須保證實時傳輸，否則在線監(jiān)測技術(shù)并不能得到水環(huán)境的即時數(shù)據(jù)，對水環(huán)境保護(hù)和治理人員來說不能實現(xiàn)在線實時監(jiān)控的NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的意義大大降低。因此，NBIoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該采用芯片采集在線監(jiān)測設(shè)備的底層數(shù)據(jù)，然后通過監(jiān)控系統(tǒng)保證芯片能夠?qū)崟r將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控信息中心，最后保障NB-IoT在線監(jiān)控設(shè)備的功能和電池能夠支持長時間工作，這樣即可將NB-IoT與水環(huán)境在線監(jiān)測相互結(jié)合。

2.4 魯棒傳感器布局

魯棒傳感器布局可以直接影響NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的效率和準(zhǔn)確性，為了盡量降低工作量可以直接按照衛(wèi)星圖像拍攝的區(qū)域水域分布圖進(jìn)行仿真測試，將數(shù)學(xué)建模仿真與衛(wèi)星系統(tǒng)相結(jié)合，利用科技手段模擬魯棒傳感器布局的最佳方案，這樣即可讓NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)從理論走向?qū)嵺`。

2.5 在線監(jiān)測信息系統(tǒng)

2.5.1 數(shù)據(jù)采集

NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要由水質(zhì)預(yù)測模型管理系統(tǒng)來完成，但是為了提高數(shù)據(jù)采集的精確度，水質(zhì)預(yù)測模型系統(tǒng)需要與地理信息和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集成，使之同時具備三者的功能。只有這樣NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)才可以在數(shù)據(jù)采集的同時，將位置信息同步到底層數(shù)據(jù)信息中，然后在數(shù)據(jù)庫中對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間和空間等維度的對比分析，最后即可根據(jù)分析結(jié)果對水環(huán)境污染情況進(jìn)行判斷。如果水污染情況逐漸升高，則可以發(fā)出自動警報提醒相關(guān)人員加強管理，因此數(shù)據(jù)采集功能也可以與自動警報功能進(jìn)行集成。

2.5.2 狀態(tài)監(jiān)測

NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測指的是對水污染的整體情況和局部情況進(jìn)行檢測，但是通過數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷對比的工作量巨大，無法保證水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實用性和有效性。因此狀態(tài)監(jiān)測的功能是需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的圖像，然后根據(jù)圖像顯示情況對水環(huán)境污染的情況進(jìn)行判斷。例如，系統(tǒng)可以先對水環(huán)境污染的情況設(shè)置幾個不同層次，然后每個層次設(shè)置相對應(yīng)的污染指標(biāo)，最后再按照指標(biāo)層次賦予水環(huán)境圖像不同顏色，這樣才可以讓狀態(tài)監(jiān)測功能更加科學(xué)合理。

2.5.3 狀態(tài)查詢

NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)采用顏色圖像判斷水環(huán)境狀態(tài)之后，同樣可以在此基礎(chǔ)上設(shè)置檢索查詢功能，監(jiān)測人員可以直接在查詢框中搜索不同層級的水環(huán)境污染區(qū)域或者輸入某一項水環(huán)境污染指標(biāo)，這樣即可直接得到不同的關(guān)聯(lián)信息。狀態(tài)查詢功能有利于實現(xiàn)水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的可視化和空間化，相比人工自主對比來說，系統(tǒng)狀態(tài)查詢可以更加直觀地展示對比信息，因此NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向。

2.5.4 事故預(yù)警

NB-IoT水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具備事故報警功能，一來事故報警功能可以更加直觀地讓監(jiān)測人員感受到水污染嚴(yán)重程度；二來事故報警功能可以為有關(guān)部門提供直觀的決策支持。當(dāng)某個區(qū)域水環(huán)境污染指數(shù)超標(biāo)時，系統(tǒng)會自動發(fā)出事故預(yù)警，提醒監(jiān)測人員將相關(guān)信息上報。有關(guān)部門能夠及時對越來越嚴(yán)重的水污染問題進(jìn)行治理，也能夠判斷哪些企業(yè)正在違法違規(guī)排放超標(biāo)污染物，從而加強對違法企業(yè)的懲處，提高其水環(huán)境保護(hù)意識。

3 結(jié)論

綜上所述，水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)是目前主要的研究方向，只有通過在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測才能及時發(fā)現(xiàn)水污染環(huán)境的變化趨勢以及潛在的已經(jīng)發(fā)生的水污染問題，這將有利于有關(guān)部門制定并采取有效的水污染治理措施。因此，NB-IoT系統(tǒng)可以與水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行融合，通過萬物互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對各個地區(qū)的全覆蓋實時監(jiān)測，并將水污染發(fā)生后再治理逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^技術(shù)監(jiān)測手段在水污染發(fā)生之初將污染扼殺在搖籃中。