寡照地區無線物聯網設備低功耗數據監測技術研究

摘 要：數據監測技術在大數據與實體經濟深度融合發展中起到了至關重要的作用。針對寡照地區無線物聯網設備在數據監測過程中的功耗問題，圍繞數據格式、通信方式等方面進行了技術革新，通過采用NB-IoT物聯網卡并優化配置參數，建立了專用的數據編碼、解碼和通信握手機制，實現了無線物聯網設備的低功耗數據監測，顯著降低了物聯網設備的運維成本，有效提升了寡照地區數據監測的質量。

關鍵詞：無線物聯網；NB-IoT；低功耗數據監測；APN；JSON；數據編碼

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-04

0 引 言

以大數據、物聯網、云計算等為代表的信息技術迅猛發展，引領著新一輪的科技革命和產業變革，逐漸改變人們的生產生活方式、經濟運行機制和社會治理模式。數據監測作為大數據、物聯網、云計算技術的重要基礎，是一項需要長期且連續開展的工作。中國的寡照地區主要分布在四川省和貴州省，由于它們獨特的地理環境和氣候條件，大部分野外數據監測任務需采用太陽能供電以及無線通信的方式。然而，由于這些地區光照時間不足，光伏轉化效率較低，無法依靠太陽能板持續為電池充電。因此，降低無線物聯網設備的運行功耗成為了在寡照地區進行數據監測的關鍵技術挑戰。針對這一挑戰，本文設計了一套基于窄帶物聯網通信技術（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）的低功耗無線物聯網數據監測系統，旨在通過優化物聯網卡配置參數，并建立專用的數據編碼、解碼和通信握手機制等技術手段，降低物聯網設備無線傳輸數據時的功耗，提升物聯網設備數據監測的穩定性、持久性，降低人工維護設備供電系統的頻率與數據監測物聯網設備的運行維護成本。

1 技術實現

1.1 系統架構

基于NB-IoT的無線物聯網低功耗數據監測系統由搭載了NB-IoT模塊的物聯網設備、數據處理服務器、消息中間件構成。物聯網設備監測相關數據后，將數據編碼上傳至MQTT消息服務器，MQTT服務器將原始數據收集并轉發至ECS、RDS等數據監測系統，系統收到原始數據后根據制定的數據編碼和解碼協議對數據進行解析，然后再將數據轉發至消息中間件，并建立主題數據庫，為監測數據的研究與應用奠定基礎[1]。系統架構如圖1所示。

1.2 NB-IoT的技術特點

NB-IoT是一種專為物聯網設計的低功耗廣域網絡（Low Power Wide Area， LPWA）。NB-IoT采用了180 kHz超窄帶系統，設計有PSM省電模式和eDRX功能來降低運行功耗[2]。相較于傳統4G網絡，NB-IoT有著高連接密度、超低功耗、網絡穿透能力強等特點，更適合用于物聯網數據監測應用[3-5]。 傳統4G網絡與NB-IoT的性能對比見表1。

1.3 NB-IoT物聯網卡的APN設置

NB-IoT物聯網卡支持PSM和eDRX兩種低功耗供電模式，其可以通過增加終端睡眠時間達到降低運行功耗的目的。在PSM狀態下，設備可以通過關閉收發信機和接入層的相關功能，降低信號收發、信令處理的功耗。eDRX作為3GPP R13標準中新增的功能，可以通過核心網與終端之間的協商配合，使終端更長時間處于睡眠狀態，并跳過大部分的尋呼監聽，以達到低功耗運行目的[6]。

APN決定了用戶終端所采用的網絡訪問模式。NB-IoT提供了7套APN模板，每套模板對應著不同的節電模式與低功耗參數配置。NB-IoT APN模板的具體參數見表2。在數據采集過程中，終端只有在監測到數據時才退出PSM模式，所以在NB-IoT物聯網卡入網時，需要將APN設置為CMNBIoT，以達到最佳的節電效果[7]。

1.4 基于NB-IoT的數據編碼和解碼協議

NB-IoT采用180 kHz窄帶系統，旨在降低基帶復雜度，減小工作電流[8]。物聯網設備捕獲的監測數據采用JSON格式傳輸，但鑒于對帶寬使用的優化需求，專門設計了一套適用于NB-IoT的數據編碼與解碼協議。該協議首先將監測數據進行編碼壓縮，隨后再將其轉換為十六進制格式進行傳輸。系統接收到數據后，根據協議對數據進行解析處理，并保存至數據庫中[9]。以農業領域的土壤墑情物聯網設備數據編碼格式為例，數據編碼格式見表3。

圖2所示為土壤墑情物聯網設備所監測到的JSON格式原始數據。設備對原始數據進行編碼壓縮后，得到圖3所示的十六進制編碼數據。

圖4所示為編碼前后的數據包大小。編碼前原始數據為797個字節的以JSON格式表示的數據包，編碼壓縮后數據為112個字節的以十六進制格式表示的數據包，數據包大小僅為原JSON數據包大小的14%。

1.5 數據傳輸流程

通過研發針對NB網絡的專用數據編碼與解碼協議，并結合NB-IoT物聯網卡的PSM+eDRX低功耗模式，設計并實現了一套物聯網設備與系統間的數據收發流程，具體如圖5所示。

物聯網設備在未監測到數據時，設備將處于PSM模式，當設備監測到數據時會暫時退出PSM模式，此時對系統服務器發送上行數據，并等待接收服務器響應，服務器接收到監測數據后，將對數據進行CRC校驗。若校驗不通過，則視為垃圾數據，不對此次上行數據進行響應[10]；若校驗通過，則對該設備發送響應數據。設備接收到服務器響應數據后，將重新進入PSM模式。若設備未接收到服務器的響應數據，將嘗試重新發送上行數據，當重發次數達到上限時，則認為服務器無響應，不再嘗試重發，將重新進入PSM狀態。

系統接收到正確的監測數據后，根據系統制定的數據編碼和解碼協議進行處理，將其解析為JSON數據，并放至云消息中間件中，同時保存至主題數據庫中。

2 技術驗證

無線物聯網設備低功耗數據監測技術驗證，以農業領域的土壤墑情物聯網設備數據監測為例，主要分為系統開發、系統部署、無線物聯網設備3部分，具體細節如下：

（1）系統開發部分：系統采用Spring Boot后端框架、Maven軟件包管理、MySQL數據庫、Redis數據緩存、EXMQ

MQTT消息中間件、Rabbit MQ消息中間件、Vue前端框架進行開發。

（2）系統部署部分：系統部署于云平臺，云平臺由一臺配置為4核16 GB、5 Mb/s的 ECS和一臺配置為2核8 GB、5 Mb/s的 ECS 以及一臺配置為2核4 GB的RDS組成。

（3）無線物聯網設備部分：無線物聯網設備由容量為24 V、20 A·h的磷酸鐵鋰電池，50 W光伏太陽能板，物聯網DTU，10層墑情傳感器組成。

通過系統設計、開發與部署，成功實現了寡照地區的無線物聯網設備低功耗數據監測。實驗結果表明，設備及系統的持續運行時間超過2 000 h，并成功實現了數據的可視化展示。數據解碼日志如圖6所示，數據可視化展示如圖7所示。

3 結 語

本文對無線物聯網設備低功耗數據監測關鍵技術進行了研究，設計并實現了一系列編碼和解碼協議及數據監測傳輸流程，并在此基礎上優化了NB-IoT入網參數，搭建了一套完善的數據監測系統。為驗證技術的有效性，本文以農業領域的土壤墑情物聯網設備數據監測為例進行技術驗證。結果表明，該系統成功實現了寡照地區的無線物聯網設備低功耗數據監測，顯著降低了物聯網設備的運維成本，有效提升了寡照地區的數據監測質量，有利于助力大數據與實體經濟深度融合發展。

參考文獻

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