物聯網融合通信技術在城市地下空間防災減災系統中的應用研究

楊欣偉 溫欣 楊欣超

摘 要：在深入研究物聯網在城市地下空間防災減災具體應用的基礎上，針對城市地下空間內部結構相對密封和復雜、網絡布設較難的特點，提出了基于 ZigBee技術和NB-IoT技術相結合的數據通信方案，實現了城市地下空間災害預警數據的全無線實時傳輸。該方案網絡布設靈活，便于維護，功耗較低，使用周期較長，為城市地下空間防災減災系統的數據通信提供新的思路，具有一定的應用價值。

關鍵詞：城市地下空間;防災減災;物聯網;ZigBee;NB-IoT;實時傳輸

中圖分類號：TP305 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-02

0 引 言

在城市化進程的推動下，我國城市的人口密度在不斷增長，城市建設規模在不斷擴大，從而帶來了城市地下空間開發和利用的全新模式，不僅城市地下空間的功能越來越多樣化，其利用率也有著明顯且持續的提高。據統計，近年來我國地下空間開發的強度和速度在世界上首屈一指[1]，如地下商區、地下通道、地下綜合管廊、地下交通系統、地下倉儲等公共基礎設施已成為城市不可缺少的組成部分。城市地下空間在運營管理過程中也存在很多風險，如火災、空氣污染、水災、震災及施工事故等，因此必須建立健全城市地下空間的災害預警防護機制，對風險事件做到及時預警，達到城市地下空間防災減災的目的，有效保障人民生命財產的安全。但現階段我國地下綜合管廊、地下倉儲、地下通道等人員出入口和通風口較少，內部空間相對復雜，密封的地下空間防災減災工作的技術水平較低[2]，主要表現在對環境監測數據的傳輸能力不足，由于此類地下空間結構較復雜，因此較難實現基于綜合布線基礎上的數據實時傳輸;移動通信信號較弱，很難實現基于單一移動信號的數據實時傳輸。本文針對上述問題提出了一種基于ZigBee技術和窄帶物聯網技術的融合通信方案，可擺脫移動通信信號和有線網絡的限制，具有布設靈活，方便維護，通用性好等優點，大大提高了城市地下空間環境監測數據的傳輸效率，可有效保障地下空間防災減災系統的有效性。

1 數據通信關鍵技術

物聯網技術是地下空間防災減災的有效技術手段，其中網絡層位于物聯網的中間段，承擔著廣泛互聯的職責，能夠把感知層獲得的信息無誤、實時、安全地傳送至更高層，是物聯網的核心技術。為實現地下空間環境監測數據的全無線傳輸，兼顧現有移動通信網絡的傳輸距離和信號問題，本文將具有低功耗和自組網能力的ZigBee傳輸技術與具有低功耗和廣傳輸能力的窄帶物聯網（NB-IoT）技術相結合，保證城市地下空間防災減災系統中傳感數據的有效實時傳輸。

1.1 ZigBee組網傳輸技術

ZigBee技術是在IEEE802.15.4協議基礎上開發的無線組網技術[3]，具有近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、短時延、高容量、高可靠性、高安全性和雙向無線通信等特點。ZigBee網絡具有多種網絡拓撲結構，通常由協調器、路由器和終端設備組成。該網絡最多可容納65 000個節點。系統采用自組網通信方式，即對于任意一個ZigBee網絡模塊終端而言，只要它們彼此在網絡模塊的通信范圍內，通過自動尋找就能很快形成一個互聯互通的ZigBee網絡。

城市地下空間結構復雜、覆蓋地域范圍廣，考慮其范圍的擴展性，整體布網難度較大，且部分特殊區域無法實現直接通電，因此需要一種高穩定性、低功耗、高容量的無線通信技術。本文選用ZigBee組網通信技術作為地下空間無移動信號覆蓋區域的通信技術，實現地下空間的局域互聯，奠定數據傳輸礎。

1.2 NB-IoT技術

NB-IoT[4]是由3GPP定義的基于蜂窩網絡的窄帶物聯網技術，于2016年12月開始商用。該網絡通信技術是一種低功耗廣域網通信技術，具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等特點，是在運營商已有網絡制式的基礎上開發的，實現了在廣域網范圍內的數據無線傳輸和通信，具有較高的安全性和可靠性。

鑒于城市地下空間防災減災系統中傳感層獲得的環境監測數據需要傳送到數據中心進行災害分析和預警，但通常數據中心并非布設在地下空間內，無法實現直接的數據通信，需要借助特定的網絡進行數據傳輸。故本文在地下空間近地面處移動信號覆蓋的區域布設了NB-IoT模塊，使其能夠與地下空間的ZigBee局域網絡進行直接通信，再借助運營商的廣域網將數據實時準確地傳送至數據中心。

2 城市地下空間防災減災系統中的數據通信

2.1 系統總體設計

城市地下空間防災減災系統根據物聯網架構進行設計，如圖1所示，主要分為傳感識別層、網絡傳輸層、服務層和應用層。其中傳感識別層用于接收地下空間的環境數據，在每一個節點布設溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、煙霧傳感器和水位傳感器等，傳感器分別與帶網絡功能的芯片相連，實現對地下空間的溫度、濕度、甲烷、氧氣、水位等重要環境數據的監測;網絡傳輸層則實現了將環境監測數據從局域網到廣域網的傳輸，借助ZigBee無線傳感網技術實現地下空間局域網內的數據通信，再借助NB-IoT技術實現基于廣域網的數據通信，最終將數據傳送至數據中心;服務層實現對監測數據的分布式存儲和分布式處理;應用層則面向終端使用者，接收底層數據，對數據進行加工、分析、判斷，生成用于指導實踐的方案和策略。

2.2 網絡節點設計

城市地下空間防災減災系統中的網絡通信部分由基于ZigBee技術的無線局域網和基于NB-IoT技術的無線廣域網組成，如圖2所示。ZigBee網絡布設在深度地下空間的無基站信號處，NB-IoT網絡布設在有基站信號覆蓋區域的近地表處，ZigBee網絡的協調器節點通過串口與NB-IoT模塊連接，實現數據通信，從而將數據傳送至位于INTERNET之上的服務層和應用層。

2.2.1 ZigBee網絡構建

城市地下空間防災減災系統中的ZigBee網絡由終端節點、路由節點和協調節點組成，構成一個復雜的網狀拓撲結構[5]。由于ZigBee網絡屬于近距離傳輸網絡，為保證其有效范圍，在地下空間每隔50 m距離處設置一個 ZigBee終端節點，帶有ZigBee模塊的CC2530芯片作為其主控芯片，并為其分配ZigBee協議和固定IP地址，每隔4個終端節點處的主控芯片連接有溫度、濕度、水位、煙霧、壓力等傳感器，用于定時接收傳感器產生的感應數據。在每隔100個終端節點處安裝ZigBee路由節點。在有基站信號覆蓋的近地表處安裝ZigBee協調節點，即ZigBee網絡中心節點，該節點主控芯片主要用于接收信號并進行簡單的邏輯判定，若存在一個或多個終端節點的傳輸數據超過預定閾值則認為存在災害風險，從而與NB-IoT模塊建立連接，激活NB-IoT模塊，進行網絡間的數據通信。城市地下空間防災減災系統中的ZigBee網絡拓撲如圖3所示。

2.2.2 NB-IoT網絡互聯

城市地下空間防災減災系統中的NB-IoT網絡采用中國聯通發布的窄帶物聯網技術，依托于包含特定芯片和模組的終端實現，該網絡上下行有效帶寬可達180 kHz，續航時間約10年[6]。上述ZigBee網絡中近地表端的協調節點通過串口與NB-IoT模塊相連，如圖4所示。本系統在近地表的不同位置設置了2個NB-IoT模塊，這兩個模塊將同時進行數據傳輸，一個用于傳送實時數據，一個用于傳送備份數據，保證數據通信的穩定和準確。通常情況下NB-IoT模塊處于休眠連接狀態，不接受消息傳送，但當ZigBee協調節點發現有災害數據出現后，便激活NB-IoT模塊，使其通過中國聯通的核心網絡將數據傳送至數據中心。

3 結 語

本文將現有的物聯網局域網通信技術ZigBee和廣域網通信技術NB-IoT進行了有機融合，應用在城市地下空間的防災減災系統中，實現了災害預警數據的實時、有效、準確傳送，從而真正擺脫了網絡綜合布線困擾和對電力線路供電的依賴，真正做到了無線數據通信。該方案網絡布設靈活，適合于內部結構較復雜、基站信號覆蓋不全的地下空間結構，為城市地下空間防災減災系統的數據通信提供了新的思路，具有一定的應用價值。

參 考 文 獻

[1]佘廉.城市綜合防災與地下空間風險預警管理[J]. 地下空間，2017（12）：59-61.

[2]童麗閨，楊浩.基于物聯網與GIS的地下綜合管廊環境監測系統[J].測繪與空間地理信息，2017，40（11）：151-152.

[3]葛廣英，葛菁，趙云龍.ZigBee原理、實踐及綜合應用[M].北京：清華大學出版社，2016.

[4]戴國華，余駿華.NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J].移動通信，2016（7）：31-36.

[5] ATHUKORALA S，WEERARATNE I，JAYATHILAKA D，et al.Affordable real-time environment monitoring system for greenhouses[C] //2016 Manufacturing & Industrial Engineering Symposium （MIES），Colombo，2016：3-5.

[6]趙玉霞.5G與物聯網發展趨勢分析[J].電子技術與軟件工程，2016（22）：17.

[7]王明浩，吳韶波.基于智慧城市建設的NB-IoT應用研究[J].物聯網技術，2017，7（7）：79-82.

[8]李綱，李陽.關于智慧城市與城市應急決策情報體系[J].圖書情報工作，2015（4）：76-82

[9]謝潤樺，王濱，張蘊明，等.面向智慧城市的物聯網傳感器狀態監測與可視化應用[J].物聯網技術，2018，8（3）：18-20.

[10]王俊清.城市地下空間信息系統集成與管理研究[D].天津：天津大學，2017.