基于NB-IoT的河流預警監測系統設計

王銀

摘要：河流是至關重要的生態系統，是社區、農業和交通運輸的生命線。然而，它們也帶來了重大風險，特別是以洪水和環境退化的形式。為了應對這些挑戰，文章介紹了一種基于窄帶物聯網技術的河流預警與監測系統。系統旨在創新河流監測設備管理，加強安全，保護社區和生態系統。該系統的核心是圍繞在河岸和水道沿邊部署傳感器，各傳感器之間配備NB-IoT連接，部署后的傳感器將能夠持續收集關鍵環境參數的實時數據，例如水位高度、水質和天氣條件。NB-IoT技術具有的幾個優勢包括低功耗、廣泛覆蓋和經濟高效的數據傳輸，使其成為在偏遠地區進行大規模部署的理想選擇，可以滿足河流實況不斷變化的需求，幫助進行更精準的決策。

關鍵詞：NB-IoT；預警系統；河流管理

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0142-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

近年來，隨著河流在生態系統、農業和交通運輸中發揮愈來愈關鍵的作用，隨之帶來的風險也逐漸擴大，如洪水，能對周圍環境造成毀滅性的破壞。傳統的河流監測系統往往難以提供及時準確的數據，難以有效地預測和應對潛在的威脅。

孟曉路等[1]在早期將3S技術應用到河流管理的程序中，改變了原有的傳統數據收集和管理方式；馮廣麗等[2]利用GPRS技術將底層傳感器的數據通過網絡連接發送到部署的主機內，能夠進行實時監測管理等基礎性工作；李剛等[3]將地圖API技術融入信息共享平臺，將多部門數據共享至平臺；在近期，阮聰等[4]將云平臺融入河流監測系統，利用云平臺將信息存儲問題解決，令工作效率得以提高；龐茗文等[5]利用NB-IoT組網技術，將各底層傳感器模塊間的通信冗余設計得更合理。相比之下，本系統利用窄帶物聯網技術與物聯網數據展示大屏的力量，徹底改變了河流監測和預警能力。基于窄帶物聯網的河流預警和監測系統旨在解決河流安全管理的關鍵問題，這個創新系統的核心是一個智能傳感器網絡，沿著河岸和水道戰略性地部署。各類傳感器之間的通信使用NB-IoT進行連接，使它們能夠持續收集各種環境參數的實時數據。這些數據包括水位、水質、天氣狀況等關鍵信息。

NB-IoT技術的主要優勢是節能、覆蓋范圍廣、成本效益高。NB-IoT使傳感器能夠在一次電池充電的情況下長時間運行，確保不間斷的數據收集。它還提供可靠的連接，即使在偏遠地區，也能進行大規模部署。此外，它的低帶寬要求降低了運營成本，這是穩定可持續監測的關鍵因素。收集到的數據通過基站傳輸到系統的云端平臺，在云端平臺中利用部署好的算法對其進行實時分析和處理，可以快速檢測異常、關鍵條件或潛在威脅，例如水位上升表明洪水即將來臨。當發現這些情況時，系統可以自動向相關部門和風險地區的居民發出警報，從而實現迅速和協調的反應，以減輕災害的影響[6]。

1 系統概述

基于窄帶物聯網的河流預警和監測系統是一種尖端技術解決方案，旨在改變人們管理和保護河流以及依賴河流的方式。河流對人類生活的各個方面都至關重要，然而，它們也帶來了重大風險，如洪水和環境退化。傳統的河流監測系統往往難以提供及時和準確的數據，妨礙了有效的風險緩解和應對。基于窄帶物聯網的河流預警監測系統通過集成NB-IoT技術，提供了一種可擴展、經濟高效的河流監測和應對潛在威脅的手段。它體現了技術在保護我們的社區、生態系統和寶貴的自然資源方面的關鍵作用。該系統將為環境監測和備災做出重大貢獻，最終挽救生命并減少與河流有關的災害的破壞性影響。

2 系統硬件設計

基于窄帶物聯網的河流預警監測系統的硬件設計是智能傳感器、NB-IoT連接、電源管理、數據處理和報警機制的復雜集成。這種設計使系統能夠提供河流狀況的實時數據，最終加強河流安全管理，同時保護地區生命安全和生態系統免受潛在災害的影響。

基于窄帶物聯網的河流預警監測系統的硬件設計是整套系統的一個關鍵方面。該系統結合了智能傳感器和NB-IoT連接，可提供河流狀況的實時數據，從而及時應對洪水和水質問題等潛在威脅。

2.1.1 底層傳感器

這種硬件設計的核心在于沿河岸和水道部署智能傳感器。這些傳感器被設計用來捕捉各種環境參數。例如，水位傳感器使用超聲波或基于壓力的技術來精確測量水深。水質傳感器可以監測pH值、濁度、溶解氧和污染物等參數。此外，傳感器還可以測量溫度、濕度和降雨量等大氣條件。這些傳感器堅固耐用，能夠承受惡劣的室外環境。

2.1.2 NB-IoT模塊

每個傳感器都配備了NB-IoT通信功能。NB-IoT是此類應用的理想選擇，因為它提供低功耗、可擴展的覆蓋范圍和可靠的數據傳輸。這些傳感器可以與中央監測站進行長距離通信，甚至在基礎設施有限的偏遠地區也是如此。

2.1.3 電源

為了確保系統持續運行，這些傳感器通常由長效電池供電，或者在某些情況下，可以連接到太陽能電池板，以實現可持續能源供應。低功耗對于延長傳感器的使用壽命至關重要。

2.1.4 警報機制

當系統檢測到潛在威脅時，如水位上升或水質問題，它會自動觸發警報。這些警報可以通過各種通信渠道（包括短信、電子郵件或移動應用程序）發送給有關部門和所在地社區。除此之外本系統配備有外置揚聲器，可以在第一時間通過揚聲器將報警信息傳遞到外界。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件設計

基于窄帶物聯網的河流預警監測系統的軟件設計對傳感器數據的采集、處理和分析，以及系統各部件之間的及時報警和高效通信起著至關重要的作用。該設計需包含多種功能才能開發出一個完整而有效的河流監測系統。

系統軟件包括數據可視化和報表工具。用戶可以生成定制的報告，以深入了解河流狀況和趨勢，圖形、圖表和地圖可以幫助人們更容易地理解數據。基于窄帶物聯網的河流預警監測系統的系統軟件設計結構比較復雜，它包括數據采集、處理、分析、警報、用戶界面、安全性、可伸縮性和報告等模塊。這種全面的設計確保了系統的有效運行，并能提供及時的信息，有助于河流和周圍社區的安全管理[7]。系統軟件設計如圖1所示。

3.1.1 數據采集和傳感器管理功能

軟件設計的核心是數據采集層，負責從部署的傳感器收集數據。它通過NB-IoT網絡與每個傳感器交互。傳感器管理軟件確保所有傳感器正常工作并連接到網絡，它監測傳感器的電池電量、信號強度和運行狀態。來自傳感器的數據帶有時間戳和位置信息標記，以提供所收集數據的上下文。

3.1.2 數據處理與分析

一旦收集到數據，數據就會被發送到數據處理層，在那里進行實時分析。這一層使用算法來檢測異常、模式和關鍵條件。例如，該系統可以根據歷史數據和天氣預報使用預測分析來預測河流狀況。機器學習算法可用于識別水質數據中的趨勢，例如污染峰值。

3.1.3 警報生成和通知功能

當系統發現任何異常或重大問題時，將會立即發出警報，并且根據問題的嚴重程度，為其分配不同權限的警報。警報可以采取多種形式，包括短信、電子郵件、移動應用程序通知，甚至是向有關部門和高風險地區居民發出的自動電話。警報系統的設計要求是高度可靠和冗余，確保警報及時到達接收人。

3.1.4 數據可視化功能

物聯網數據可視化功能是本系統的核心功能，是最直觀的一種面向對象的數據展示界面，此功能有助于將連接設備生成的復雜且龐大的數據集轉化為可操作的界面。這些功能使用戶能夠根據物聯網數據進行分析并做出明智的決策。物聯網數據可視化功能在利用物聯網生成數據的過程中發揮著關鍵作用，它們使用戶能夠做出數據驅動的決策，提高運營效率，增強系統安全性。

4 系統應用與實踐

4.1 系統首頁（設備群所在地展示地圖）

系統首頁主要是由一個地圖功能展示頁組成，圖中紅色的地點按鈕表示當前設備所處位置。通信模塊在連接上基站之后，物聯網網絡層中的物聯網平臺將會自動獲取并打印當前網絡的IP地址，MQTT技術將會通過通信模塊將IP地址信息傳輸到物聯網平臺中的設備屬性，本軟件系統通過自動調用物聯網平臺提供的調用設備屬性API，在本系統首頁以及可視化物聯網大屏界面中的地圖上都會自動刷新當前綁定的設備的地點位置和設備信息[8]。系統首頁如圖2所示。

4.2 物聯網大屏數據展示界面

阿里云物聯網提供了一個全面的系統，用于實現對氣象狀況的全面監測，其中包括了一個完整的地圖系統，用于提供當前的氣候變化情況，以及對河流的實時環境監測、天氣預報、河流的視覺監控、溫濕度變化的可見性以及可供選擇的設備列表。如圖3所示。

4.3 云計算平臺

云計算平臺通過整合多種計算，如BP神經網絡算法、Apriori計算以及K-means計算，可以有效地檢測設備所處的環境，并且可以通過對這些信息的深入研究，發現之間強烈的關聯性，從而構建準確的模型，并且可以通過云計算技術來調整參考值，從而實現對云計算平臺的有效利用。通過利用IoT感應層收集的信息，能夠迅速而準確地對其進行深入的研究，從而為人們提供及時、準確的決策支持。

5 結束語

基于窄帶物聯網的河流預警監測系統提出了一種利用窄帶物聯網技術加強河流安全管理的新方法。這個創新的系統解決了對有效的河流監測和早期預警系統的迫切需求，以減輕與洪水和其他自然災害相關的風險。系統的核心概念是沿著河岸和水道部署傳感器網絡。這些傳感器使用NB-IoT連接，可以將各種環境參數的實時數據傳輸到集中監測站。NB-IoT的低帶寬要求使數據傳輸具有成本效益，適合大規模部署。監測站處理輸入的數據，并采用先進的算法來檢測異常或關鍵情況，例如水位上升表明可能發生洪水。當檢測到這種情況時，系統可以觸發自動警報，向有關部門和危險地區的居民發出警報，盡可能挽救生命和財產。本文的貢獻在于將NB-IoT技術與河流監測相結合，為預警和環境監測提供可靠且具有成本效益的解決方案。這種系統將會有力地改變河流管理和備災現狀，成為保護地區免受自然災害不利影響的有效工具。

參考文獻：

[1] 孟曉路，于向東，馬濤，等.關于建設中小河流管理信息系統的構想[J].科技資訊，2011，9（16）：59-60.

[2] 馮廣麗，谷春英.基于GPRS的河流水位遠程監測預警系統研究[J].計算機測量與控制，2013，21（3）：620-622.

[3] 李剛，張永紅，張璞林，等.基于地圖API的監測預警信息共享平臺的建設與研究[J].甘肅科技，2013，29（11）：16-17.

[4] 阮聰，胡春杰，楊洋，等.基于云平臺的德宏州中小河流水雨情監測系統設計與實踐[J].電子設計工程，2020，28（15）：70-73，78.

[5] 龐茗文，李振宏.基于窄帶物聯網技術的太陽能氣象站監測系統的設計[J].網絡安全技術與應用，2022（6）：102-104.

[6] 穆方馳，唐宗仁.貴州中小河流監測預報系統研究[J].河南科技，2015（17）：31-32.

[7] 柳林，徐嘉.中小河流預警預報軟件與關鍵技術[J].海河水利，2014（1）：60-64.

[8] 羅晶晶，龐茗文，熊思霖，等.基于物聯網技術的太陽能森林火情監控系統[J].數字化用戶，2022，28（28）：19-21.

【通聯編輯：張薇】