基于NB-IoT的水環境在線監測關鍵技術研究

湯澤軍

摘要：針對城市生活用水安全隱患，提出“基于NB-IoT的水環境在線監測方案”，為實現該方案須突破以下四個方面的關鍵技術問題：其一，水環境監測儀的研制：包括用于河流、湖泊、水庫等城市主要水域的水質監測設備;以及對居民生活小區到戶的水環境進行監測的水質檢測儀，以對飲用水水質把好最后一關。其二，實現魯棒的傳感器網絡：對于城市水環境在線監測，數據采樣點眾多，為實現最穩定的數據采集及數據傳輸，須實現最優的傳感器網絡，并據此完成對各端點檢測儀的設備安裝及維護。其三，實時數據通信技術：本項目可望解決現代智慧城市水環境的全數據監控，其采集數據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控，實現城市水環境的多方面監控功能。擬在底層采用NB-IoT技術，實現實時的數據采集及通信。其四，基于NB-IoT的水環境在線監測信息系統的設計，實現監測信息的獲取、存儲、分析、管理、表達評估和輔助決策。

關鍵詞：物聯網技術;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，由于化工產業廢物污染水源，導致半數以上江河湖泊水資源受到嚴重污染，多地出現“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，而水質監測是水資源保護的“眼睛”。在未來智慧城市生活中，為了實現人們安全的飲水及水資源生活環境，亟需解決水環境數據的采集、監測、記錄、水質狀態數據報告等，這些數據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水環境在線監測研究現狀

1.1國外水環境監測現狀

美國學者Seong-Hee Kim等研究了傳感器測量誤差對河流系統水質監測網絡設計的影響，提出當優化算法與統計過程控制方法相結合時，可以得到魯棒的傳感器位置。該團隊開發了一種傳感器測量誤差概率模型，將其嵌入到河流系統的仿真模型中，并結合閾值的優化算法找到魯棒的傳感器網絡。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濃度和細菌總數密切相關。英國學者Nick A.Chappell等提出一種系統建模過程，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根據衛星圖像和已知水體的地圖，監測大面積的內陸過量水，以了解洪水的發展程度和方向，以減輕它們對農業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（WQI）——九個理化指標和微生物狀態指數和營養狀態指數（TSI），監測巴西南部Taqi-Autas流域的淺層水質來評估養豬場污染。澳大利亞學者Mary Drikas等在配電系統中監測水質變化，確保在用戶水龍頭中提供優質水。隨著各國環保意識的增強，水環境在線監測已成為研究熱點。歐美等發達國家已具備較為成熟的水環境監測技術，正借助新技術，將水環境監測推向更便捷、更精準、更及時的領域。盡管各國科學家們在水環境監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技術應用于水環境監測的研究。

1.2國內水環境監測現狀

自20世紀80年代，經過二十多年的研究與發展，我國在水環境監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，在將技術產業化方面做得不夠。國內水環境監測主要有實驗室監測、自動監測站監測、移動監測三種方式，主要在以下幾個方面取得了一定成果：①在線水質監測系統及其關鍵技術的探索，包括基于WEB的水質自動監測系統、基于無線傳感器網絡的水質在線監測系統、基于物聯網的水質監測技術研究等，其中邊際提出的三級水質監控網絡構建關鍵技術研究與示范體現了先進性。②水質監測技術的研究，有基于單片機或PLC、GIS、光譜特性、污染源監測等不同原理的水質監測技術;③對于水質監測設備的研究：包括船載水質高密度在線監測、移動式水質自動監測、水質監測材料設備研發與國產化探索。將NB-IoT應用于水環境監測的研究尚不多見。

2NB-IoT的應用特點

物聯網的無線通信技術主要分為短距離通信技術和廣域網通信技術即LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網）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通信技術，聚焦于低功耗廣覆蓋（LP-WA）物聯網（IOT）市場，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點，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對農作物的實時監控;基于NB-IoT的智能電網監測;NB-IoT智能鎖，智能停車等。

3基于NB-IoT的水環境在線監測

3.1在線監測設備

分布在各采樣點的采樣設備是水環境在線監測系統的基礎設施。對于常規水環境監測設備的研制。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。該監測設備的主要功能即實現對水質主要特征數據的實時采集：包括水的濁度，PH值，水位高度等。為確保項目的可行性，在不影響采樣數據準確性和實時性的前提下，盡量采用低成本的產品。用于應急監測的專用監測設備的選型及設計。針對汛期、突發洪水、突發污染等特殊情況，設計專用的應急監測設備，包括便攜式實地監測、移動監測等方案。在硬件上實現水環境在線監測儀表安裝驗收及數據管理的規范化，從技術上明確在線監測儀安裝驗收流程和數據采集標準，保障在線監測儀運行的可靠性以及數據采集的有效性。

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

3.2NB-IoT底層數據采集

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

3.3魯棒的傳感器網絡布局

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

3.4水環境在線監測信息管理系統

采用在線的水質水量監測傳感器、變送及控制器，以連接異地、異質傳感器或現地設備的廣域計算機網絡、數據庫為基礎，實現水環境要素的實時、高精度的在線自動監測，以及監測信息的獲取、存儲、分析、管理、表達評估和輔助決策。系統主要功能包括：

3.4.1水環境數據采集

集成數據庫管理系統、地理信息系統和水質預測模型的管理系統，能夠實時、直觀地對區域水環境信息進行可視化表達，自動響應監測值超標的緊急情況并給出應對措施建議，配合系統的自動警報和決策支持功能，系統實現對區域水相關數據的動態管理，提高區域水環境管理的自動化程度。系統監測數據查詢，包括靜態查詢和動態顯示。預測功能對用戶選擇的監測對象和參數進行水質預測，并將預測數值同已有監測值一起進行輸出，也可將預測數值實時顯示在動態數據框中，并將預測數據作為警報觸發值進行判斷。

3.4.2水環境狀態監測與查詢

通過建模與仿真，對現場傳感器群采集的數據，定義區域內各監測參數的評價等級，確定水環境狀態的基本函數，對水環境狀態值進行分區段關聯顏色，對各類水體的實時監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境評價信息。

3.4.3水環境事故預警

為能為環保部門提供水環境監測和預測提供決策支持，設置水環境關鍵參數的預警閾值，當數據值達到設定的預警閾值時，系統自動告警，并針對不同數據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的水環境在線監測系統如圖1所示，在各個水質監測的點位安裝相應的傳感器，各傳感器采集的數據通過NB-IoT發送到移動網絡，經過移動數據中心，最后通過最接近用戶的云服務器在手機用戶終端和監控終端之間實現數據的交互。通過用戶層軟件設計，為用戶提供的針對不同數據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

水環境監測信息采集點的布局：利用嵌入式系統設計水質監測終端，利用GIS技術、通過數學建模和系統仿真構建最優的信息監測用的傳感器網絡，用以各水環境特征數據的采集。在線監測數據的實時傳輸：基于NB-IoT通信技術，實現各信息源點的數據與監控中心之間的實時傳輸。系統內部實現數據共享及實時報告機制：利用數據庫技術和物聯網技術實現信息的融合、分析。水環境監測數據的拓展應用：城市水環境的監測數據不僅是對水質的分析，同時對汛期事故易發點提供水位或流速監測，可為城市抗洪防汛部門提供數據參考。