NB-IoT 在大田土壤環境實時監測中的應用＊

姚云霞，彭仁杰，唐 婷

（隴東學院信息工程學院，甘肅 慶陽 745000）

1 NB-IoT 技術提出的背景

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即窄帶物聯網，也被叫作低功耗廣域網，是發端于蜂窩的NB-IoT 的新技術，隸屬物聯網的關鍵技術，滿足低功耗電子模塊部署在廣域網的蜂窩數據通信。國際電信聯盟（ITU）2020 年7 月召開的ITURWP5D 會議做出重大決議：NB-IoT 和NR 一起正式成為5G 標準。至此，NB-IoT 技術正式有了官方定義，成為構建萬物互聯智能世界的基石。NB-IoT 正式納入5G 標準，三大核心支持標準出臺就緒，5G 商用加速NB-IoT 劃歸5G 意味著NBIoT 可在NRin-band 部署，支持接入5G 核心網；同時，NB-IoT3GPP 標準將持續演進，成為5G mMTC場景核心支持標準[1～3]。

工信部官方網站發布《工業和信息化部辦公廳關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》，要求推動2G/3G 物聯網業務遷移轉網，建立NB-IoT、4G和5G 協同發展的移動物聯網綜合生態體系。截至2020 年末，窄帶物聯網網絡普及縣級以上城市主城區，重點地區或城市增強建設密度；移動物聯網在全國范圍內連接數逼近12 億。

窄帶物聯網定義了構建物聯網專網的技術規范，廣泛應用在工業領域、消費領域、農業領域、公共事業應用領域等方面[4,5]。

2 NB-IoT 的國內外應用現狀

2019 年11 月，全球NB-IoT 連接數近7000 萬；2020 年1 月，全球連接數突破1 億；2 月，僅中國連接數突破1 億；如今，全球連接數已增加到1.4 億。短短1 年時間，NB-IoT 連接數量就實現了翻番，產業呈現爆發式增長。

窄帶物聯網技術其實施過程達到全球產業鏈的大范圍承認與支持，被管理機構編進全球5G 標準。中國成為NB－IoT 產業鏈發展最為完善的國家。而在歐洲市場則是德國、挪威和西班牙等國家。在國內，NB-IoT 氣表、水表等先發應用不斷加速，繼去年突破1000 萬后，目前又雙雙突破2000 萬；NBIoT 煙感、電動車等應用迅速起量，目前已分別逼近1000 萬規模；在先發行業的帶動下，越來越多的行業加入NB-IoT 陣營，呈現出共享白電、智慧路燈、智慧停車、智慧農業、智能門鎖、智能跟蹤、智能水表、智能停車、智能路燈、智能煤氣管網系統、智能監控、智能環保等一大批百萬級的應用，并且由點及面，向全國規模推廣[6-9]。

在海外，NB-IoT 也全面加速發展。據GSMA 統計，截至2020 年9 月，海外蜂窩LPWA 連接數超過4000 萬，比去年同期增長了148%。海外10 余個國家20 余個大顆粒NB-IoT 項目正在部署、招標或籌備中，例如意大利100 萬只NB-IoT 氣表項目、比利時自行車、韓國充電樁、泰國路燈等10 萬級項目即將部署完成，沙特750 萬只和瑞典290 萬只NB-IoT電表項目正在部署，新加坡、斯里蘭卡等地NB-IoT電表/水表項目正在招標中。

3 NB-IoT 的應用場景

5GmMTC 的核心要求是連接密度達到每平方公里100 萬設備連接，NB-IoT 能夠提供海量連接，200kHz 的頻率可以提供10 萬個連接。從技術角度看，NB-IoT 確實滿足了ITU 對5G 低功耗、廣覆蓋的愿景和要求。5G 更廣闊的市場是各垂直行業的物聯網需求，助力各垂直行業帶來數字化轉型。NBIoT 從誕生之初就定位于面向物與物的通信，近年來持續服務于大量行業，提升、優化甚至改變了一些行業的生產經營。借助NB-IoT 的應用，智能停車、智能消防、智能水務、智能路燈、共享單車和智能家電等成為深刻影響個人消費市場的典型應用場景。

窄帶物聯網正在智慧安防、智慧農業、智慧城市、智能交通、智慧醫療、智能家居等領域展示出不可取代的地位，加速眾多領域應用的協調發展，需求層面正在持續擴大。查閱5G+物聯產業高峰論壇的材料，到2019 年11 月，窄帶物聯網技術的水、氣表都超過1000 萬，智慧消防達到400 萬，市政設施達到200 萬，智慧停車達到100 萬。可以清楚看到，窄帶物聯網技術早已成為實施智慧型城市戰略的支撐技術。

智能煙感，能完成報警信息的各方面快捷傳達。普通火災監測設備信號借助消防總線發送，萬一監測設備發生紊亂狀況，報警信息只可發送到消防總控中心，對可能即將發生的煙氣、燃氣報警、故障問題，難以立即實時高效快速接收解決報警信息。對此，窄帶物聯網網絡滿足大數量連接，傳感設備高效監測煙氣，只要煙氣濃度超過設定閾值，則可以借助窄帶物聯網技術徑直傳輸信號到達控制中心。此外，窄帶物聯網信號輻射力強，能夠達到建筑物的最外邊緣邊角。2019 年，中消云物聯網研究院許春玉透露，當下熟悉的14 種使用領域的消防設備需要的數量多于40 億。

智能井蓋的實際需求多于千億。普通的井蓋監管主要借助人工巡檢，難以實時瞬間得知井蓋異常消息，也查詢不出負責人員，人工運行維護代價高昂，負責人難以實時監督與聯系。而在井蓋中內置的窄帶物聯網技術智慧監測模塊，可瞬間快速檢查出井蓋的位置異常狀態、井蓋上面的道路積水、井下水位等狀態，同時完成相關查詢匯總。尚普咨詢數據表明，一、二線城市智慧井蓋需求大概達到277億元，全國范圍能智慧井蓋需求達到1114 億元。

智慧垃圾桶可以幫助建設智能環衛體系。顯然，具備“低功耗，廣覆蓋”的優點和窄帶物聯網技術的定位功能，市政管理部門可以科學調節環境工作者的工作繁重和保潔路線。這樣改善了環衛管理體系；另一方面還可以定位范圍內垃圾收集設備故障狀態，實時進行查詢安排。同時也能夠自動辨別丟棄物，保證丟棄物分類能夠快速，同時完成高效監測。中國報告網數據表明46 個關鍵城市垃圾收集設備實際缺少3.70 億個，337 個地級市丟棄物收集設備實際缺少4.66 億個。

4 NB-IoT 應用于土壤環境監測

目前，我國農業物聯網應用主要集中在農業科技園區中，主要用于溫室大棚等精準設施農業中，在大田生產應用推廣方面明顯滯后。大田生產物聯網在野外大田環境下安裝，受到野外環境干擾很多，完成精準檢測、調控的技術難點也沒有克服。再說，成套的農業物聯網產品一次性經費投入高。本項目探索物聯網在大田作物生產上的技術應用模式和機制，擬設計出適合黃土塬地貌土質特色的物聯網成套檢測設備產品[10]。

鑒于大田農業種植分布廣、監測點多、電路布線以及充電不方便等因素特征，采用前沿物聯網技術，安裝部署高精度高分辨率的土壤溫濕度傳感器，遠距離監測土壤溫濕度，完成墑情和農藥污染等智能預測預報等任務。基于NB-IoT 模組，將傳感器數據同步傳輸到云端服務器或給種植者手機發送警報。設計出大田農業種植測控設備，便于安裝、操作。本項目采用的均是低功耗、低成本且精密程度較高的芯片，產品的可操作性強，維護周期長，實現簡單，能夠廣泛應用于農業大田種植。

NB-IoT 模組默認通信方式為AT 指令，工業領域中操作相對復雜。電信ME3616 通過模組內部OpenCPU，利用NB 卡和運營商NB-IoT 網絡，通過串口和目標設備相連接，實現了本地串口到用戶服務器的透傳應用。ME3616 是一個透傳模組，可輕松實現串口到網絡的雙向數據透明傳輸，解決了工控設備和應用服務器數據交互的問題，開發更簡單。還有其他通信模組，如移動M5311 NB 模組、移遠BC28 NB 模組。2020 年，移遠通信基于海思Boudica 150 芯片開發的NB-IoT 模組出貨量繼續保持快速增長。截至2020 年第三季度末，基于海思平臺的移遠NB-IoT 模組累計出貨量已經超過4,000 萬片[11]。

NB-IoT 具有多連接、低功耗的特點，可同時接入多個傳感器，同時采集多樣化土壤墑情參數，包括土壤溫度、濕度、PH 值、電導率等，實時將采集的信息上報云數據中心。土壤環境實時監測系統總體框架如圖1 所示。系統按照物聯網分層架構進行設計，包括感知層、傳輸層、網絡層、應用層。該系統以STM32F429 嵌入式芯片為主控制器，感知層通過傳感器采集溫濕度及重金屬含量等環境數據，傳輸層使用中移物聯M5310A 模塊將感知層數據輸出到云平臺，應用層使用手機APP 實時觀看監測數據。環境監測系統能夠實時準確采集和上傳相關環境數據，方便用戶遠程監測。

圖1 土壤環境實時監測系統

5 總結

窄帶物聯網技術構成物聯網的關鍵組成部分。窄帶物聯網技術立足蜂窩網絡，僅占用差不多180kHz 的頻率帶寬。窄帶物聯網技術直接安裝于GSM 網絡、UMTS 網絡或LTE 網絡，能夠減少安裝成本、完成簡易更新。雖然窄帶物聯網技術面臨著大好的形勢，但其也面臨著來自LPWA 技術的挑戰。

LPWA 是低功耗廣域技術的簡稱，使用較低功耗實現遠距離的無線信號傳輸。和傳統的蜂窩網絡技術（2G、3G）相比，LPWA 的功耗更低，電池供電的設備使用壽命可達數年。基于這兩個顯著特點，LPWA 可以真正實現物物互聯，助力和引領物聯網（IoT）革命。正因為LPWA 具備與NB－IoT 相同的性能，這也導致NB－IoT 被一定的限制。同時，NB－IoT設備傳輸速率低，而LTE－M 等新興技術相比NBIoT 具有更高的傳輸速率，可以在一定環境中替代NB－IoT。隨著CAT M1 和CAT NB1／NB2 的雙模式芯片組的開發，將有效提升NB－IoT 對LTE－M 的競爭力。