基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術在智慧機場水質監測系統中的應用分析

閆天瑞， 余倩倩， 陳新威， 李抒智， 張 紅， 王 江， 鄒 軍，石明明， 王洪榮， 蘇曉峰， 陳 啟， 鄭煒陵

（1.上海應用技術大學a.化學與環境工程學院；b.理學院，上海 201418；2.上海產業技術研究院，上海 201206；3.上海贄匠智能科技有限公司，上海 201107；4.煙臺華創智能裝備有限公司，山東煙臺 264001；5.西雙版納承啟科技有限公司，云南景洪 666100；6.上海國際機場股份有限公司，上海 201207）

上海浦東國際機場位于上海市東邊，靠近濱海地帶，距市中心約30 km，是中國（包括港、澳、臺）三大國際機場之一，主要以國際航班為主，也有部分國內航班。浦東機場場區管理范圍較大，管轄面積約40 km2，包括54 km圍場河、1.5 km2人工湖以及206 km污水管道等[1]。面對如此大的管轄范圍以及較多的管轄項目，浦東國際機場通過4G、窄帶互聯網（narrowband internet of things，NBIoT）、光纖和全球定位系統（global positioning system，GPS）等多種物聯技術建立智慧場區，搭建“一個平臺，四大系統”的智慧管理系統，包括智慧防汛系統、智慧環境系統、智慧物聯系統、智慧監控系統。作為萬物互聯網絡的一個重要分支，NBIoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于全球移動通信系統（global system for mobile communications，GSM）網絡、通用移動通信系統（universal mobile telecommunications system，UMTS）網絡或長期演進（long term evolution，LTE）網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（low power wide area，LPWA）物聯網（machine to machine，M2M）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點。NB-IoT還使用license頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等3種部署方式，與現有網絡實現共存。機場利用NB-IoT等技術其特性，實現能夠達到對機場各種環境實時監測的目的，其中水環境對機場的影響甚大，對水環境的實時監測具有重要意義，水質在線檢測系統為水環境的治理提供智慧化的管控手段[2]。

1 水質在線檢測系統建設的重要性

在機場經濟時代到來的同時，水環境也受到比較嚴重的影響，為防止和治理水污染，加強水質監測變成治理和管理水環境的一項重要任務。但是按照一般的水質監測管理，是無法達到高效及時的自動監測管理的目標[3]。比如：浦東國際機場原來每月需開展1次河道斷面人工檢測，但此方法水質檢測既耗時又無法實時得到水質數據樣本，導致水環境的治理以及管理均會受到相應的影響，無法及時準確解決水質問題。

如今利用物聯網等技術對水質進行監測，實現每4 h就進行一次自動檢測，每月檢測量提高180倍，并且極大豐富水質數據樣本，實現對浦東機場水環境狀況的實時掌握。水質在線檢測系統對此發揮極大的作用，使水環境管理變得高效準確。

2 水質在線檢測系統的建設內容

2.1 建設任務

進行水環境的水質監測的基礎設施是分布在各采樣點的采樣設備[4]，其中傳感器是浦東機場水質在線檢測系統的設備基礎。傳感器包括p H傳感器，溫度傳感器和渾濁度傳感器等[5]。

在管理水環境的工作中，還需要對大量的數據進行分析和處理，為切實保證數據收集和傳輸上的及時性和有效性，浦東機場利用4G、NB-IoT、光纖和GPS等多種物聯技術對機場水環境進行全數據監測[6-7]。匯聚數據后，平臺管理系統需有效地歸集場區各種實時的、有效的水質信息和價值度高的物聯數據，才能實現對水環境實時掌控、精確管理和科學高效的決策。系統建設任務包括水質數據的自動采集、傳輸，物聯網數據監測設備的建設，浦東機場智慧系統平臺對水質監測信息的管理等。

2.2 建設組成

浦東機場水質監測自動管理系統其組成主要分為4個層面[2]，分別是數據獲取層、數據傳輸層、平臺管理層、應用層，如圖1所示。

圖1 水質在線檢測系統Fig.1 Water quality online detection system

（1）數據獲取層

數據獲取層是系統的基礎端，是數據的直接來源層。利用各種傳感器、移動終端、電子標簽等實現對機場水環境的智能感知、信息采集處理和自動控制，并利用通信技術將水環境實體鏈接到數據傳輸層和平臺層。數據獲取層是實現水環境感知的核心能力層，它能更精確、全面的感知水環境。

（2）數據傳輸層

數據傳輸層是系統的中間層，主要實現對水質信息的傳遞、路由和管控。該層通過構建廣泛覆蓋機場水環境的物聯通信網絡，實現水質在線檢測系統物物相連、精度感知。利用各種通信技術，滿足各類水質感知設備通信要求，形成一個完善的物聯神經網絡，構建高速數據傳輸通道。數據傳輸通道將感知層獲得的水質信息，可靠地、安全地傳輸到平臺層。其中NB-IoT是水質監測自動管理系統物聯專網的核心內容，主要承擔長距離、廣范圍的傳輸任務。

（3）平臺管理層

平臺管理層，即是物聯網綜合管理平臺。向下接入數據感知層和數據傳輸層匯聚所得的水質數據信息，向上是應用層的統一數據接口。平臺管理基于物聯網的運用，歸集實時有效且多樣豐富的數據，包括終端感知的水質數據信息和外部系統反饋的數據信息等。其信息特點為實時性強、價值度高、數據鮮活，是形成系統數據的重要信息來源。

（4）應用層

應用層是實現對水環境數據處理的物聯網應用領域，利用物聯網技術與機場實際需求結合，并對獲取水質數據信息進行計算分析，形成智慧方案，更加高效精確地管理、整治機場水環境。

2.3 系統布設

浦東機場地處經濟活躍的長三角地區，服務范圍波及整個中國，地域廣，人口流量大。上海屬于季風氣候，氣候適宜，雨水均勻，需結合浦東機場具體設施的建設和降雨特點來安裝相匹配的傳感器，并且要做到全方位安裝傳感器。還要解決人口流量大等問題帶來間接性通信延遲導致數據傳輸的滯后性等諸多因素，采用的系統不能影響機場的運行。

本次設計可以說綜合考慮了浦東機場作為特殊場地的需求及其智慧系統的建設，結合了機場的特點，通過全方位的研究考量，設計了此套因地制宜的水質在線檢測系統，并在實際使用中達到了出色的效果。

系統功能主要包括數據采集、數據傳輸和平臺管理。數據采集功能可以實時精準的感知識別水環境，能夠高效自動采集有價值的水質信息，并且采集的水質數據樣本豐富[5,8]。浦東機場管理的水環境分布范圍廣，要求數據傳輸功能快速而準確[9]。平臺管理是指整個系統實現全自動監測，需要按時優化系統中出現的新出現問題，并且找到相應的方法。當然，仍然需要在后續工作中對水質監測自動管理系統進行完善，將其設置得更加合理和多樣化，找到隨機“失真”的原因。

2.4 系統工作體制選擇

本水質監測自動管理系統采用的是混合制的體制，通過基礎設施傳感器采集數據、通過物聯傳輸數據、通過數據處理中心處理并反饋。實現全自動化監測，可以隨時開手機app觀察需要知道的水質污染情況等。一方面大大降低人力物力，另一方面也可以節約更多的資金用于系統的維護與優化問題，更重要的是顯著提高工作效率，使各個部門系統聯系得更加緊密。

3 系統應用介紹

水質監測系統從2018年下半年開始建設實施，現已經正式上線3年多。系統依托NB-IoT等技術，應用水質監測的物聯監測終端。同時，在PC端的管理平臺基礎上，開發移動端的APP，實現關鍵水質信息的同步顯示和查詢，利于領導或管理單位對平臺的靈活使用。系統主要應用于浦東國際機場景觀水池圍場河水質監測，在實際應用中可以實時勘測到水質信息的變化，對管理人員早期處理水環境問題提供較大空間[10]。此外，通過系統的水質信息數據記錄，可以了解特定時間、特定區域一些易發生的水環境問題，可以針對性采取一些預案措施，從而提升水環境問題的處置能力，也為其處置方式優化提供支撐，從而提升整體管理能力。

4 結語

浦東國際機場通過4G、NB-IoT、光纖、GPS等多種物聯技術建立水質在線檢測系統，實現水質信息的實時監控與管理，并通過系統進行數據查看、數據審核、數據分析、大數據展示、報警管理等工作，為浦東機場水環境治理提供智慧化管控手段，對水環境的治理有顯著作用[10]。