NB-IoT在水利信息采集中的應(yīng)用研究＊

劉一均,馮黎兵,鄭嘉龍,陳 榮,譚興杰

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611231)

1 引言

水利信息是各種水利對象特征(維度)指標(biāo)的總和，表現(xiàn)為水利數(shù)據(jù)。水利信息化是充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開發(fā)和廣泛利用水利信息資源，實(shí)現(xiàn)水利信息采集、傳輸、存儲、管理和服務(wù)的數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)化與智能化，全面提升水利事業(yè)活動(dòng)的效率和效能的歷史過程。

水利信息化在信息采集與工程監(jiān)控方面指標(biāo)為：選擇采集點(diǎn)、自動(dòng)采集點(diǎn)和監(jiān)控點(diǎn)的總量。水利信息化依據(jù)水利信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水文站的無人值守，實(shí)現(xiàn)水文信息自動(dòng)采集、全天候定時(shí)傳送、長期自記和存儲，將有效提高水文信息采集能力，擴(kuò)大水文資料的收集面，改善目前我國水文信息采集現(xiàn)狀，為完成歷年防汛抗旱、水利工程建設(shè)、水資源管理、水環(huán)境保護(hù)以及相關(guān)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展任務(wù)作出貢獻(xiàn)[1-2]。

圖1 傳統(tǒng)的水利信息化采集系統(tǒng)(利用電纜)

2 水利信息化中的通信技術(shù)

水利信息資源采集的完整性、靈活性、動(dòng)態(tài)性和準(zhǔn)確性直接影響和制約著水利工作的效能，傳統(tǒng)的電纜通信方式受制于電纜的部署以及使用的場景，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性不夠，且不夠靈活。隨著無線通信的發(fā)展，充分利用通信技術(shù)發(fā)展的成果，可以構(gòu)建以無線通信為基礎(chǔ)框架的多元信息采集體系。

早期的水利信息采集系統(tǒng)已經(jīng)引入了GPRS 無線通信，但是GPRS 技術(shù)的覆蓋受限，容量較低，不適合水利信息化的使用[3]。并且隨著通信技術(shù)的發(fā)展，其生命周期較短，很快被NB-IoT等技術(shù)取代。

圖2 水利水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)

3 基于NB-IOT技術(shù)的水利信息化

隨著通信技術(shù)從2G到3G以及4G的發(fā)展，通信技術(shù)越來越廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中。在物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，高速率業(yè)務(wù)主要使用3G/4G 技術(shù)，中等速率業(yè)務(wù)仍然主要使用GPRS 技術(shù)，而低速率業(yè)務(wù)目前并沒有針對性的蜂窩技術(shù)來滿足，但這類業(yè)務(wù)卻有著豐富多樣的應(yīng)用場景和龐大的規(guī)模，很多情況下只能使用GPRS 技術(shù)勉強(qiáng)支撐。因此，通信制造廠商們迅速達(dá)成推動(dòng)窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識，正式開始NB-IoT的研究。

NB-IOT，又名窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)新興技術(shù)。它構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接基于GSM/WCDMA/LTE 部署。其部署方式靈活，支持獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署3種模式[4]。

NB-IoT 具有低成本、低功耗、廣覆蓋、低速率特點(diǎn)。其低功耗的特點(diǎn)，可以支持待機(jī)時(shí)間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。有的NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高10年。同時(shí)NB-IOT基于當(dāng)前的LTE等部署，不需要單獨(dú)建網(wǎng)，可以節(jié)省成本。節(jié)省成本的同時(shí)，NB-IoT具有廣覆蓋的性能，比LTE 提升20dB 增益，其穿透能力強(qiáng)，可以穿透地下、墻壁等，提供非常全面的蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋；除此之外，NB-IOT 占用較少的頻率資源，可以進(jìn)行海量連接[5-6]。基于這些優(yōu)點(diǎn)，所以NB-IOT 廣泛用于遠(yuǎn)程智能抄表，停車管理系統(tǒng)等領(lǐng)域，同樣可以用于我們的水利信息數(shù)據(jù)收集。

水利信息具體間斷性、上報(bào)數(shù)據(jù)少但是數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。水利信息收集不需要一直連續(xù)采集，可定時(shí)采集，并且其單次數(shù)據(jù)少，僅需上報(bào)水位信息和水質(zhì)信息等；同時(shí)因?yàn)樗军c(diǎn)的分布廣，數(shù)量多，多分布于江河、湖泊及山區(qū)等，所以其要求能有廣覆蓋并且穿透能力強(qiáng)；水利信息的上報(bào)還需要一定的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)合水利信息數(shù)據(jù)的這些特點(diǎn)，NB-IoT 技術(shù)成為首選的技術(shù)，用于水利信息化系統(tǒng)中。

3.1 基于NB-IoT的水利信息化應(yīng)用的系統(tǒng)原理

基于NB-IoT 的水利信息化系統(tǒng)可以分為NB-IoT終端、基站、核心網(wǎng)以及信息處理平臺。

圖3 基于NB-IOT的水文自動(dòng)采集系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 基于NB-IoT的水利信息化系統(tǒng)

3.1.1 NB-IoT終端

通常的NB-IoT的終端包括傳感器、控制處理單元、NB-IoT處理單元以及電源等。在水利信息采集系統(tǒng)中，常用的傳感器有檢測水位的傳感器以及檢測水質(zhì)的傳感器。我們可以在各水文站中安置傳感器，采集水位及水質(zhì)等信息，然后將測到的數(shù)據(jù)通過控制單元傳送給NB-IoT處理單元。控制處理單元主要用于控制傳感器，并將傳感器獲得的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成NB-IoT 處理單元所能處理的信號格式。NB-IoT 處理單元?jiǎng)t將信號轉(zhuǎn)化為無線信號傳遞給NB-IoT的基站。

NB-IOT終端的具體信號流程如圖5所示。

圖5 NB-IOT終端的信號流程圖

3.1.2 NB-IoT基站

NB-IoT基站即通常的移動(dòng)基站，主要完成移動(dòng)通信網(wǎng)和NB-IoT 終端之間的通信和管理功能?；矩?fù)責(zé)NB-IoT終端的無線信號的接入，并同相應(yīng)的NB-IoT核心網(wǎng)相聯(lián)系，負(fù)責(zé)將接收到的水利信息傳輸給核心網(wǎng)。作為NB-IoT 終端非接入層，其組網(wǎng)形式可視情況選取獨(dú)立或者融合組網(wǎng)。

3.1.3 NB-IoT核心網(wǎng)及信息處理平臺

通過NB-IoT核心網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)終端信息交互和處理。核心網(wǎng)接收到多個(gè)基站的用戶數(shù)據(jù)，借助轉(zhuǎn)接的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)用戶終端的簽約、認(rèn)證等業(yè)務(wù)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)信息處理平臺，用于進(jìn)一步進(jìn)行水利信息的分析處理。

信息處理平臺，可以實(shí)現(xiàn)的功能有：一是收集所有水文站采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析歸納；二是進(jìn)行應(yīng)用功能開發(fā)，譬如進(jìn)行水位檢測判斷，是否超過水位警戒線等。三是對檢測后的結(jié)果進(jìn)行后續(xù)處理，譬如某個(gè)水文站異常，需要通知工作人員進(jìn)行相應(yīng)的處理。信息處理平臺，未來可以結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及引入機(jī)器學(xué)習(xí)，根據(jù)水文站的歷史信息，智能預(yù)測在未來的某段時(shí)間的發(fā)展趨勢，并提前做好洪水預(yù)防等工作，達(dá)到智能水利的效果。

3.2 基于NB-IoT的水利信息化應(yīng)用

基于NB-IoT的智能水文信息采集系統(tǒng)裝置利用共用數(shù)據(jù)網(wǎng)通信，將有助于改善水文信息的傳輸方式，總增益達(dá)20dB。其具有廣覆蓋特點(diǎn)，可散布于江河、湖泊和水庫核心區(qū)及其各分支流，提高水文數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、精度，解決固定水文監(jiān)測站水文采集的局部性和基于GPRS水文采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸信號差等問題。

借助PSM 和eDRX 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更長待機(jī)，通過簡化無線協(xié)議，縮短發(fā)射/接收時(shí)間、單芯片SOC解決方案等措施，大大降低了功耗，使得基于NB-IoT的智能水文信息采集系統(tǒng)裝置在江河、湖泊和水庫密集分散布局時(shí)，延長使用壽命，降低維修和維護(hù)成本。

基于NB-IoT 的智能水文信息采集系統(tǒng)裝置與IoT的數(shù)據(jù)平臺一起，有利于構(gòu)成智能系統(tǒng)。第三方應(yīng)用服務(wù)器可以主動(dòng)到IoT 信息化平臺查詢數(shù)據(jù)或者IoT 信息平臺將數(shù)據(jù)推送給第三方應(yīng)用服務(wù)器；同時(shí)，第三方應(yīng)用服務(wù)器可以通過IoT平臺給終端下發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水文信息的實(shí)時(shí)共享、發(fā)布。

NB-IoT 的覆蓋廣，傳輸數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的穿透能力，其引入重復(fù)傳送，也大大提高了傳輸?shù)目煽啃??；贜B-IoT 的智能水文信息采集系統(tǒng)裝置也可布局于城市地下管網(wǎng)和下穿隧道中，實(shí)時(shí)監(jiān)測水文數(shù)據(jù)的變化，為智慧城市建設(shè)提供支撐。

3.3 基于NB-IoT的水利信息化的展望

基于NB-IoT 的水利信息化把NB-IoT 的技術(shù)引入到水利信息采集、傳輸、存儲、管理和服務(wù)等領(lǐng)域中，提升了水利數(shù)據(jù)采集的容量以及實(shí)時(shí)性，為未來的智慧水利奠定了基礎(chǔ)。隨著無線通信的發(fā)展，未來5G 的Massive IoT 的引入，以及人工智能的發(fā)展，也必將會對水利信息化帶來極大的便利，推動(dòng)整個(gè)水利信息化的發(fā)展。

4 結(jié)束語

水利信息化的發(fā)展經(jīng)歷了從電纜到GPRS再到NBIoT技術(shù)的過程，表現(xiàn)出同科技發(fā)展的密切關(guān)系。從2017年6月16日，工信部正式公開《全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(NBIoT)建設(shè)發(fā)展的通知》，明確以14 條舉措全面推進(jìn)NBIoT 建設(shè)發(fā)展，到2020年建設(shè)150 萬NB-IoT 基站、發(fā)展超過6 億的NB-IoT 連接總數(shù)。隨著NB-IoT 基站和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展，必將推動(dòng)NB-IoT 技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用，提高水利信息采集覆蓋面和機(jī)動(dòng)靈活性，從而推動(dòng)“數(shù)字水利”和“智慧水利”的建設(shè)。