NB-IoT的水環境在線監測關鍵技術探討

馮艷紅，張文婷，周 鑄，張賀賀

（1.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210000；2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210000）

我國是世界上水資源最豐富的國家之一，年水資源總量為2.8萬多億噸，在全球各國排第六位。但同時，我國也是世界上水資源最缺乏的國家之一，人均水量不足2 400 m3，僅為世界人均水量的四分之一，全球排名第110位，是聯合國統計的13個貧水國家之一。當前我國600多個城市中，有400多個城市存在著供水不足的問題，其中有100多個城市存在著嚴重的缺水問題，而我國每年缺水量大約為60多億 m3。在嚴重缺水的同時，我國還存在著較為嚴重的水資源浪費現象。具體表現為：我國的工業生產用水量比國外發達國家的工業生產用水量高出5～10倍，而且，國外發達國家在水資源的重復利用率方面達到了70%以上，而我國僅為25%左右。而加強水質監測，能為水資源保護工作提供準確的數據參考，是現實水資源合理開發利用的前提和基礎，特別是在當前智慧城市建設過程中，基于NB-IoT技術，對水環境進行在線監測，開展水環境數據的采集和記錄，分析水質狀態數據，用于水環境的管理，能實現人們安全的飲水及水資源生活環境提供參考。

1 NB-IoT概述

NB-IoT是英文“Narrow Band Internet of Things”的首字母縮寫，意為窄帶物聯網，是物聯網重要的分支之一。其組成也是基于蜂窩網絡，在實際運用中，這種技術能有效降低網絡部署的成本，而且根據相關研究數據顯示，運用了NB-IoT的設備電池壽命能夠延長至10年[1]。

進入二十一世紀以來，隨著信息技術的快速更新發展及普及應用，移動通信技術已經從傳統的人與人之間信息的傳遞，向著人與物以及物與物之間的信息傳遞發展，萬物互聯已經成為互聯網技術發展的必然趨勢。特別是隨著我們進入到5G時代，移動蜂窩網絡不僅具有可移動的顯著特性，同時還具備了覆蓋范圍更加廣泛以及大數據連接等顯著的特性，使得該技術應用的場景范圍得以進一步拓展，逐漸成為物聯網發展中不可或缺的技術，并具有廣闊的發展前景。目前，NB-IoT技術已經被廣泛應用于智能家居、智慧醫療以及車聯網當中，具有如下四個方面的顯著特點：第一，覆蓋范圍更廣。根據相關研究數據顯示，NB-IoT技術在同樣的頻段下，較傳統的網絡技術，具有100倍增益的覆蓋區域能力；第二，能夠為大數據連接提供支撐。根據研究數據顯示，NB-IoT的一個扇區，可以支持10萬個連接，這樣在網絡架構方面就具有更加顯著的優勢；第三，功耗相對更低。根據研究數據顯示，NB-IoT技術支撐下的終端模塊，電池待機時間能超過10年，因此具有超低設備功耗的顯著特點；第四，成本低廉。根據相關統計數據顯示，運用該技術后，企業單個的模塊連接成本不會超過5美元，因此，設備成本極為低廉。

2 國內水環境監測現狀分析

我國國內對于水環境的研究工作，始于20世紀80年代改革開放之后，發展到今天，在水環境監測技術及設備研究方面，均取得了不俗的成就，但在技術產業化方面仍存在著一定的不足。目前，我國各地開展的水環境監測工作主要分為實驗室監測、自動監測站監測以及移動監測這三種方式，所取得的成果主要包括如下幾個方面：首先，我國技術人員對水質在線監測系統及相關的技術進行了不同程度的探索，其中，三級水質監控網絡構建關鍵技術具有世界領先性；第二，在研究的過程中，我國的技術研究人員借助單片機、PLC、GIS技術等方面基于光譜特性及污染源監測原理等不同方面進行了探索，研發出了多種不同的水質在線監測技術；第三，在水質監測設備方面，我國的研究人員通過引進國外的設備，并基于我國各地區獨特的水文條件，對引進的先進設備進行了國產化的探索。但就目前而言，我國技術人員在NB-IoT的水環境監測應用研究尚未深入，研究結果相對較少。

3 基于NB-IoT的水環境在線監測關鍵技術探討

3.1 在線監測設備分析

在水環境在線監測工作中運用NB-IoT技術，需要在預設的各個監測數據采集點布設相應的采樣設備，這也是對水環境進行在線監測工作的基礎和前提。但目前我國市場上并沒有成熟的產品可以直接進行運用，布設的采樣設施基本上都是從國外進口的，因此，還需要加強對常規水環境監測設備的研發。根據水環境在線監測工作的要求，各采樣點布設的水質監測設備主要的功能就是能夠對于采樣點區域流經水體的水質主要特征，如水體的清濁度、水質的pH值以及水位的高度等數據進行實時的采集。為了確保工作的順利開展，并降低工作的成本，工作人員在選購設備時，應在不影響數據采集的實時性與準確性的基礎上，盡量采購國內質優價廉的設備。此外，在設計研發的過程中，水質在線監測工作中可能遇到的汛期現象、突發洪水或者是突發污染等特殊的情況，為了避免這些情況的出現而影響到設備數據采集的實時性與準確性，設計人員還應針對性設計專用的應急監測設備，并制定出切實可行的監測方案。只有這樣從硬件設備上實現對水環境在線監測的規范化管理，并從技術方面予以明確標準，才能提升數據采集的實施性與可靠性，從而為后續的工作奠定堅實的基礎[2]。

3.2 進行底層數據的采集

在運用NB-IoT技術構建水環境在線監測系統時，為了簡化系統構建的過程，并保證其功能，同時最大限度降低系統的功耗，以及確保數據在實時傳輸過程中的準確性，設計人員還應運用NB-IoT芯片來對底層的數據進行采集。這樣不僅可以采集水質的信息，同時還能采集水體的參數信息，并根據采集的數據對被檢測水體的水質進行初步的評判。在具體操作中，因為水環境在線檢測系統主要是由核心設備、網管服務器、基站以及交換機等構成的，工作人員就需要結合設置的采集點或者是實驗室設置的實際情況，科學進行系統的架設，而且在完成系統架設后，還要對其進行一系列完善的測試工作，從而確保系統的功能復合監測工作的需求，以滿足實驗的要求。

3.3 水環境在線監測信息管理系統分析

采用在線水環境監測，其信息管理系統的主要功能包括如下幾個方面：

首先，是進行水環境的數據采集。水環境在線監測信息管理系統集成了數據庫的管理系統、地理信息系統以及水質預測模型等一系列的管理，能夠對被監測水域的水環境進行實時、直觀的信息收集，并實現數據信息的可視化表達，特別是能夠對被監測水域水環境數據的異常情況予以準確展現，如水體污染超標等緊急情況。同時還會及時發出警報。此外還能根據出現不同的問題，及時給出相應的解決措施和建議。通過這樣的方式，能夠實現對被監測水域水環境相關數據的動態化管理，切實提高水環境管理工作的自動化程度。最后，該信息管理系統還能方便人們對于各種監測數據的查詢，在最短的時間內將使用者需要的信息，以靜態方式，或者是動態的方式展現出來。而預測功能則能對用戶選擇監測的對象以及參數進行相應的水質預測，并將預測的數值連同已有的監測數據一起輸出，從而為使用者的決策提供準確的參考[3]。

其次，是進行水環境的狀態監測和查詢工作。在具體運用中，工作人員借助相應軟件對被監測水域的水環境進行建模和仿真，對于現場傳感器群采集的數據進行分析，準確定義該水域內各監測參數的評價等級，并確定該水域水環境狀態的基本函數，特別是通過對該水域水環境的狀態值進行分區段關聯顏色，根據實時監測的數據，對于各類水體運用不同的顏色予以標識，這樣用戶就可以通過該系統的可視化表達，直觀地獲取該區域水環境的實時評價信息[4]。

最后，是對水環境的事故及時預警處理。在實際運用中，水環境在線監測信息管理系統還能為環保部門的水環境監測及預測工作提供決策支持，特別是可以設置水環境關鍵參數的預警閾值。這樣，當系統監測的數據值達到系統設定的預警閾值時，該系統就會自動發布警告，并針對不同數據的情況，向用戶提供相應的處理建議。

4 結語

綜上所述，對水環境進行實時在線監測，是提升我國水安全的重要手段。而基于NB-IoT通信技術構建水環境的在線監測信息采集工作，利用單片機嵌入式系統進行水質監測終端的構建。同時，利用GIS技術，借助數學建模以及系統仿真，構建出最優的信息監測網絡，對各監測點的水環境特征數據進行全面的采集，并實現在線監測數據的實時傳輸，不僅能對我國水環境的水質進行全面而準確的分析，還能對水域內的水位高度及水素進行分析，從而為我國河流汛期內洪澇災害事故進行準確預警。因此，我們必須重視水環境在線監測系統的構建，不斷探索基于NB-IoT通信技術的在線監測系統的關鍵技術，從而推進NB-IoT技術在水環境在線監測工作中的運用。