基于NB-IoT与5G的智慧环境在线监控云系统设计

文/李树红

环境监测、监控是环境治理、环保执法、环境质量变化趋势评价、环保管理赖以依存的手段，是环保管理的顺风耳、千里眼。利用现代远程监控技术、计算机技术、网络通信技术等，建设一套可全自动、全天候、全区域、全参数、全过程 、不间断地对排污情况进行实时监控的环境在线监控系统，来提高环境监管力度和效率、有效管控污染物排放，是为当务之急。

1 环境监测系统现存问题

（1）鉴于经费投入及技术水平的限制，目前各地已投入使用的环境在线监控系统。监测点位少，主要布署在重点排污企业的排放口、跨辖区河流断面、重点工业园区周界、城市空气质量监测等。

（2）数据传输网络方面，目前已建成投入使用的监测系统主要采用光纤有线电路加数据传输的混合模式，具有布署困难、建设运营成本高、不能移动的缺点，难以适应网格化监测站布署、移动监测监管、随时随地监管等的需求。

（3）存储设备、服务器布署于环保局中心机房，无法充分利用智能移动终端的便利性，已成为进一步提高环境监管能力、管理效率的瓶颈。

（4）目前已建成的环境监测系统以监测为主，数据开发应用、研究分析较少。

2 NB-IoT和5G通信

NB-IoT技术：是一种基于LTE移动通信网络的窄带IoT技术，传输速率≤250kb/s，具有抗干扰能力强、安全可靠、连接容量大、传输距离远、覆盖范围广、设备功耗低、部署成本低等优点，非常适合远程环境监控等低速物联网应用。

5G通信技术：4G基站的信号覆盖半径约为500m，数据传输速率约73Mbps，奠定了NB-IoT大规模应用的基础。而5G基站的通信半径约150m～500m，基站的布署更为密集，设备的功耗更低，其数据传输速率高达1Gbps，使万物互联及高速无线传输应用成为可能。

3 系统设计

3.1 总体设计思路

为了保护前期在线监控设备的投资，实现系统的平滑升级，兼容现有系统，基于5G网络的智慧环境在线监控系统应考虑以下问题：

3.1.1 数据传输网络

由现在的单一有线通信网络，转为有线通信网络+NB-IoT+5G无线网络的混合模式。有线通信网络用于现有的监控设备，NB-IoT用于新建的监测站，尤其是野外监测站，5G用于新建视频监测站或移动视频监测等。

3.1.2 数据存贮及计算方面

由现在的环保管理部门的中心机房存贮+中心机房计算模式，转为分布式云存贮+云计算，从而实现：移动监测和监管、云办公及移动办公、低成本跨部门联合执法及应急指挥作战布署、广泛及时的信息发布、公众参与监督等。

3.2 系统总体设计

系统按各部份所承担的功能划分为现场感知层、通讯传输层、应用服务层、用户层：

现场感知层：由各种传感器、数据采集分析仪器、通信传输装置、控制执行组件等组成，用以采集、记录监测数据和状态、分析结果、现场动态视频等信息，以及执行远程控制指令操作。监测数据按要求的数据格式实时上传至服务器进行集中存贮。

通信传输层：由光纤有线网络、3G/4G NB-IoT及5G无线网络等组成，承担数据传输，根据不同数据类型转发给相应的程序进行处理，并将下行控制数据传给监测站执行操作。

应用服务层：部署于云端，包括数据中心及计算中心，向用户层提供数据汇总、统计、查询、计算、展示、第三方应用等服务及接口。

用户层：可以通过手机APP、微信公众号或小程序、浏览器等查询、调取、展示监测数据和结果，及向监测站发送控制指令执行指定操作等。

3.3 感知层设计

以在线监测分析仪器为核心，由微处理器、各种采样仪器、预处理单元、传感器、分析仪器、通信模块、摄头机、其它控制仪器等组成。

3.4 数据存贮及计算中心设计

随着环境监测规模的扩展，监测数据大幅度迅速增长，需要海量的存储空间。传统模式中用户自建网络机房、存贮系统和服务器集群，费用高、容灾能力弱、运维成本高、管理难。为降低系统建设成本和运维成本，适应新形势下环保管理、提高容灾能力，数据存贮及计算中心考虑租用云计算运营商的设施设备。

3.5 监控中心系统设计

监控中心实现对所有监测站的设备巡查、监测数据展示、运行参数设定管理等。为适应环境应急指挥作战调度需要，应具有视频会议功能。为了实现更好的展示效果，监控中心的电视墙将采用超细间距全彩高清LED显示屏，实现无拼接缝显示，画面可根据需要任意分割。

4 应用设计

（1）污染物排放监管：监控系统软件通过对监测数据进行存储、汇总、处理、计算、分析，得到污染物排放及环境质量数据，实现对排污单位的污染物排放监管。

（2）污染预警预报：通过对监测数据进行计算、分析，可以得到环境质量的总体水平及发展趋势，可对环境污染进行预警预报，为政府的科学管理决策提供可靠依据。

（3）联合应急指挥作战：发生重大污染事故时，联合作战单位通过云技术快速接入共享信息，实现跨部门联合指挥作战。

（4）移动监测监管：对特殊监测环境，可以派遣检测机器人或监测无人机进行移动监测，并通过智能手机、平板电脑等移动终端随时随地监控污染源情况。

（5）污染成因分析与研究：利用无处不在的监测站所采集到的海量污染排放和环境信息数据，通过大数据挖掘对某些污染的成因进行研究与分析，对科学环境治理提供依据。

（6）地理信息服务：利用GIS系统将不同类型的环境信息、监测数据、设备运行情况、报警信息等直观地在操作终端界面上显示，方便监控管理。

（7）短信服务：当污染物排放超标时，系统将给相关监管人员发送相关信息，以便及时采取处理措施，杜绝超标排放的发生。

（8）公众信息共享：向媒体和公众发布环境数据信息，实现公众对环境管理的监督和参与。

（9）数据交换接口：为了实现跨行业跨部门的信息共享与数据交换，为政府的科学管理决策和社会公众提供准确的环境信息，系统提供面向消息中间件的数据接口。

5 结束语

物联网技术在环境监测中具有广阔的发展和应用潜力，NB-IoT技术的应用及5G高速宽带网络，必将环境监测引向更智能化的发展方向。