基于NB-IoT网络的实时环境监测系统在众包模式下的应用

冉卓衡

（天津工业大学，天津 300387）

0 引 言

随着人们的生活水平的提高，人们对于日常环境的感知与关注程度呈现明显上升趋势。环境监测产品的年销售总额不断提高，近10年复合增长率甚至达到了10.58%。软件信息服务领域正处于蓬勃发展态势，用户通过使用手机接收物联网监测报警设备发送的环境监测参数与测量报警信息的模式逐渐趋于稳定成熟。因此，未来还会有更多的嵌入式实时环境监测与报警设备在不同领域“落地生根”。

1 环境监测设备当前面临的主要问题

环境监测设备的功能在单独的数据采集基础上必须不断融合新技术和需求，结合当前互联网+技术潮流形成大数据系统智慧环境监测网络，从而满足决策依据、响应体系信息支持、满足应急和预警各类需要[1]。但时，现有资源和模式通常无法完全满足此类信息服务的要求，尤其是在面向个体的精细化、精准化的管理决策方面还存在一定差异[2]。想要实现大数据反馈给用户有价值的预警信息，必须在众包模式下收集一定量的用户设备的日常实时环境数据。在这种模式下工作的嵌入式设备应具有耗能低、成本小以及覆盖范围广等特征。将大数据中的众包模式运用于NB-IoT设备中，可以有效解决收集用户数据面临的各项问题，实现一定程度范围内自然、人为灾害的预警和预报功能。例如，用户在智慧农业应用背景下使用实时联网环境监测设备，存在应用规模小、技术水平相对低下、感知设备通用性不足、信息实时性不够和农场间信息割裂等问题[3]。此时，企业如果想要在云端收集一定量的用户环境数据，必须实现信号的深度覆盖。因此，企业能够通过读取不同地域与应用场景下的实时环境位置数据，并给与该用户或与之相邻的其他用户以及时的数据反馈，从而方便国家气象部门、环境监测机构等政府管理部门进行科学的数据分析与运用，以解决政府生产环境监测信息和以计划经济方式组织环境监测的模式带来的环境监测成本过高、数据准确率低、效率低、创新能力低、规模化程度低以及非政府性环境监测站（点）难以发展等问题[4]。

2 NB-IoT特点与众包模式应用概述

尽管近些年来物联网设备发展迅速，但早在20世纪90年代末，物联网（Internet of Things）中“万物互联”思想就已经被美国麻省理工学院提出。早期传统的物联网设备存在诸多缺陷，导致其无法大面积有效部署。但是，随着人工智能与NB-IoT技术的逐渐成熟，使得上述部分缺陷得以弥补。

2.1 NB-IoT设备特点

NB-IoT技术的优势有力推动了当下以物联网技术为首的各个行业的快速发展，主要具有以下4大技术特点。

2.1.1 低功耗

NB-IoT设备在PSM模式下会关闭射频，可进行长期睡眠。当设备从PSM模式中被唤醒后，会立即重新连接至当前网络。而设备在eDRX模式时则支持较少频次的寻呼监听，以达到低功耗的目的。这两种模式均可帮助窄带物联网设备实现更长时间的待机。部分设备甚至可以实现在99%的工作时间均处于睡眠状态。正是由于低功耗的特点，NB-IoT设备的寿命最长可达10年。

2.1.2 低成本

NB-IoT设备耐用的同时，模块成本非常低，普遍价格不超过5美元，且这种设备维护成本较低。因为低频次、低速率的特点，NB-IoT设备数据的利用程度高，尤其是在大规模部署后，一定程度上减少了通信费用。

2.1.3 广覆盖

NB-IoT基于蜂窝网络而构建，蜂窝网络目前正服务于全世界半数以上的土地面积和90%以上的不同人群。在相同频段下，NB-IoT网络不但比现有的网络增益20 dB，服务范围也扩宽了数百倍。即使设备处于公共地下停车场、山洞和隧道等其他网络信号难以达到的地方，NB-IoT网络也可实现信号的部署。

2.1.4 海量连接

NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构[5]。

2.2 众包模式运用

众包（crowdsourcing）是近年来人工智能与大数据领域最常用的模式之一。互联网技术的问世，大大降低了人与其他客观实体产生联系的成本。而众包模式正是基于这一特点，将原本由公司内部员工承担的工作，通过互联网分配给公司以外的大众人群，以自愿自由的形式集思广益。在这期间，公司只需要给予贡献者少量的回报，甚至在特定情况下这种贡献是免费的。例如，人们日常出行所需的导航软件，借助的地图不一定全部是由企业工作人员实地勘测得来的。一些偏远山区的行车土路、公园内部的林荫小径等，都是通过收集并分析大量使用者在使用软件时的行进轨迹数据分析得来的。工作人员只需要核验众包的结果，甚至不需要检验就能实现对地图的细节进行精准的测绘和实时的调整。例如，百度地图和高德地图通过在自有软件内嵌数据上报功能进行交通路况事件信息的众包采集，为用户提供了大量优质、精准的信息服务内容，如信息查询、城市路况、公交到站预报以及多方式路径导航等[2]。

3 NB-IoT设备众包监测方案

通过众包模式，每个用户手中的NB-IoT实时环境监测设备的数据将会更加有价值。同时，使用者在提供相关反馈信息后，云端服务器下发的预警和预报信息也将变得更为精确。

3.1 物联网技术架构

在众包模式下运行的环境监测设备中，企业和政府通过云端读取并分析大量一定区域内采集到的实时数据，通过不同的网络给予数据上传者一定的有参考价值的预警预报信息。设备在这种模式工作时，技术架构如果按照通常的物联网技术架构划分可分为3层，自顶向下分别为应用层、网络层和感知层。在这3层架构中，每一层都发挥着重要作用，各层的具体功能如图1所示。

图1 物联网的3层系统架构图

3.1.1 感知层

感知层主要承担数据采集和物与物之间数据传输的作用，是物联网设备信息的来源。感知层的主要作用是采集不同场景工作状态中NB-IoT设备周边的环境、位置等数据，为上层提供基础数据支撑。

3.1.2 网络层

网络层对传感器收集到的数据进行数字化编码，并提供密钥认证与数据传输的服务。绝大多数云平台和实时环境监测设备可依靠蜂窝网络进行数据交互和命令下发。计算机网络可用于对大数据平台的软硬件设施进行校正和维护。不具有通信功能的传感器设备，需要借助带有蓝牙模块的单片机控制系统进行间接传输。而具有NB-IoT或者WiFi联网功能的环境采集传感器设备，可以直接进行远程蜂窝网络的直接传输。

3.1.3 应用层

应用层可在该层部署与开发多样化的物联网云端智能应用，是物联网体系架构的“大脑”。以HTTP/MQTT等传输协议式向用户、企业和政府单位等，提供数据的可视化与分析服务。基于应用层，企业可实现大数据预报和预警的互联分析平台构建。该平台将数据多方互联后，在应用层完成控制命令、预警信息以及预报信息等全部功能的下发，满足实时环境监测与报警设备的功能实现。平台构建完毕后，用户可基于便携式智能终端，通过选择自己的应用领域，绑定个人位置信息后接入系统，从而接收有一定价值的分析数据与参考结果。

3.2 大数据与人工智能分析平台构建

众包模式下的数据采集可应用于消防、农业、海洋等多个应用场景，在满足大数据与人工智能进行数据交互的基本前提下，可针对不同行业领域与应用场景的使用特点进行子功能的研发规划与设计。云平台工作示意图如图2所示。

图2 云平台的工作示意图

3.2.1 智能消防领域

在消防领域，NB-IoT环境监测设备通常用于监测CO、NO2、SO2、PM2.5等参数。平台通过对大量已知火灾地点的环境参数进行取样分析，在大数据平台上设置“火灾典型数据”报警专项。当用户不在家中且检测到可燃物质产生的一些参数的特定组合时，可实现智能报警，减少伤亡与公共资源的损失，同时可以根据反馈结果不断修正参数，使得下一次预警更为精确。

3.2.2 智慧农业领域

在实时收集大棚内温湿度、光照度等参数的同时，大数据对比往年该地区距离最近的其他大棚内环境参数的数值，从而给管理者在环境参数上相关的建议与参考，同时关注参数的变化趋势，并智能对比其他附近大棚的数据参数，及时给予管理者一定的报警信息，从而有效减少用户损失。

3.2.3 海上作业场景

我国海域由于受季风气候的影响，尤其是东南沿海一带，天气状况通常变化莫测，对于出海的船只造成了不利影响。利用云平台智能分析已出海船只上NB-IoT设备上报的实时大气压、风速等参数，结合政府气象台数据，可实现大数据预报与预警海洋中突发性自然灾害的发生。

4 结 论

随着通信行业的快速发展，当下以手机为终端的大数据众包模式发展已经趋于成熟。例如，高德地图、百度地图通过这种方式与市交管局展开合作，开启了“智慧交通”模式。但是，物联网实时环境监测设备对于数据读取与警告信息的下发经历了人工读取预警、2G、3G、WiFi联网智能家居播报等阶段，但是都没有能够实现实时化、大数据、广覆盖、低功耗和强连接的要求。本文基于众包模式和NB-IoT技术的特点与优势，对嵌入式实时环境监测设备在众包模式下实现一定程度范围内自然灾害和人为灾害的预警和预报方案进行了详细的分析阐述，同时构建了不同应用领域和场景下预警、预报大数据分析平台的相关功能与设施，以满足相关公司或政府管理部门对大数据的读取与运用等。随着人工智能时代的来临，大数据结合NB-IoT通信技术在实时环境监测领域的应用越来越重要，极具市场推广价值。