NB-IoT技术及其在水文中的应用

魏国晋，张 亚，胡春杰

（1.青海省水文水资源测报中心，青海 西宁 800001；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

水文自动测报系统是利用传感器技术、计算机技术和通信技术，将江河、湖泊、水库等流域的水位、雨量、流速等水文数据进行实时采集、存储、传输、处理、预警的水文测报自动化监测系统[1]。当前，水文测报系统采用的无线通信技术主要有蓝牙、WIFI、蜂窝移动通信4G、ZigBee等，但针对通信距离远、低功耗、低成本、网络布置灵活的无线通信，现有的无线通信技术难以适用。NB-IoT技术是一种新兴的LPWAN(低功耗广域网)技术，具有远距离、低功耗、低速率、低成本、灵活组网等特点，随着物联网的应用越来越广泛，水文传感器数量相应地也越来越多，所以NB-IoT技术在水文自动测报中的应用已势在必行[2-3]。

1 低功耗广域网

低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是一种低功耗远距离的无线通信网络；其由于网络覆盖范围广、终端功耗低等特点更适合于大规模的物联网应用部署[4]。相较于熟悉的Zig-Bee、Bluetooth、Wi-Fi无线通信方式，LPWAN的传输距离更远，一般为公里级，其链接预算（linkbudget）可达160 dBm，而Bluetooth和ZigBee一般在100 dBm以下。相比传统的蜂窝网络技术（2G、3G），LPWAN的功耗更低，电池供电设备使用寿命可达数年。速率与覆盖范围如图1所示。

图1 速率与覆盖范围

2 NB-IoT关键技术

NB-loT是一种授权频谱的蜂窝通信技术，是3GPP针对LPWA定义的新一代蜂窝物联网技术。NB-loT构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的频段，可直接复用现有的基站设备，直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，减少部署成本、实现平滑升级，使运营商高效地切入物联网市场[5-7]。

2.1 低功耗

低功耗是NB-IoT最关键特点之一，而PSM、eDRX对于NB-IoT低功耗的作用更不言而喻，PSM、eDRX两种模式具体介绍如下：

1）PSM（Power Saving Mode）

PSM即低功耗模式，NB-IoT进入PSM状态除定时器开启，其余部分完全处于关机态，大大降低了整个模块的功耗，处于最省电状态。PSM模式下电流消耗如图2所示。

图2 PSM模式功能示意图

NB-IoT处理完任务之后转为空闲态，然后将会开启Active定时器，其超时后进入PSM模式。NBIoT在空闲状态时正常接收处理寻呼，进入PSM模式后不再处理接收寻呼。当TAU周期请求定时器（Tracing Area Update）超时或者需要上行数据传输Unit时才会跳出PSM模式。Unit在PSM模式下处于睡眠状态，但网络中Unit的状态依旧是注册。在此模式下仅有RTC模块正常工作。所以功耗能够低至微安级别，从而大大提升了整体待机水平。由于PSM模式下监听功能失能，所以应用的业务对延时要求不能过高。

2）eDRX(extended Discontinues Reception)模式

DRX(Discontinuous Reception)为不连续接收模式，而eDRX为扩展不连续接收模式，也就是对原DRX技术的增强，使通信模块监听的网络寻呼周期增长，减少Unit监听寻呼、Unit连接入网、Idle状态的频率，从而降低Unit功耗，在Idle状态下，eDRX周期为20.18 s～2.92 h，连接状态下周期可以延长到10.24 s。对于数据交互量较大以及低延时的应用场景，周期性TAU和Unit自主唤醒频率会很高，而PSM模式下唤醒需要信令交互。故对于不适用PSM模式的场景可通过灵活设置eDRX周期来节省功耗。

对于eDRX，可根据不同应用场景对通信的要求，如时延、交互频率，选择最优化的eDRX周期，根据应用场景的业务需求进行配置eDRX的连接周期和空闲周期；并且可以同时使用eDRX与PSM模式，拟达到最大省电效果。eDRX与DRX的PTW周期（Paging）对比如图3所示。

图3 eDRX与DRX功能对比示意图

2.2 深度覆盖

在同样的频段下，NB-IoT比现有网络增益提升了20 dB，覆盖能力扩大了100倍，即使在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也同样能覆盖[8]。

2.3 海量连接

与现有无线技术相比，NB-IoT可以提升50～100倍的接入数，200 kHz带宽下单基站小区可支持5万用户[9-10]；同时进行了海量存储和接入控制的优化，适合海量接入的场景。

3 NB-IoT技术在水文中的应用

3.1 系统架构

NB-IoT技术在水文中的应用系统可以分为3层：感知层、网络传输层和应用层，如图4所示。

图4 系统架构

应用层主要包括PC客户端、手机、笔记本等。用户通过PC客户端或移动客户端查询读取数据库的历史数据，主要实现用户与水文测报系统的交互工作。

网络传输层主要包括NB-IoT传输模块和RTU等。NB-IoT传输模块负责采集数据并传输给NB-loT云端服务器，RTU关负责数据采集、存储、控制等。

感知层包括水位传感器、雨量传感器、墒情传感器、水质传感器等。这些传感器通过串口RS485或RS232与RTU连接，RTU发送指令读取水位、雨量、含水量、水质等传感器中的参数值,并由NB-loT传输模块将采集数据发送给NB-loT云端服务器。

3.2 硬件设计

根据水文信息系统设计原则[11-13]，其硬件设计可分为数据采集、主控板、NB-loT通信模块及供电模块，硬件架构图5所示。

图5 硬件架构

3.2.1 数据采集层

1）水位计

雷达水位计是一种非接触式水位传感器，其计算公式如式（1）所示。

其中，D为雷达水位计与液体表面的距离，c代表波速，是一个常数，T代表信号发射时间与接收时间的时间差，由式（1）可算出水位传感器到液面的距离。该设计采用国产雷达水位计[14]，硬件设计如图6所示。

图6 雷达水位计硬件设计

2）翻斗式雨量传感器

文中采用江苏南水设计生产的JDZ05-1型翻斗式雨量传感器，其分辨力为0.5 mm，误差为±3%，雨强范围在0～4 mm/min，硬件设计如图7所示。

图7 雨量传感器硬件设计

3.2.2 主控板

主控板是整个系统的核心，其主要用于传感器数据采集、水文数据解析与存储。文中采用较低功耗、处理性能相对较强的STM32单片机（STM32 L475VET6）。STM32L475VET6与MSP430功耗对比如表1所示。

表1 STM32L475VET6与MSP430功耗对比

STM32L475VET6的特点[15-16]如下：

1）性能强劲，处理速度快。

2）低功耗。STM32L475VET6具备F系列主控的3种低功耗模式，与MSP430低功耗相比，不但性能好，而且功耗低。

3）大存储。STM32L475VET6内部有高达512 kB大小的Flash，支持读写同步。

3.2.3 通信单元

文中采用NB-loT通信模块型号BC28，兼容上海移元通信GSM的M26模块，便于客户升级，并且支持多种协议栈。BC28通信模块如图8所示。

图8 BC28通信模块

3.3 应用方案

随着水利信息化的不断发展，水文站点网络对低功耗、低速率、灵活组网等需求迫在眉睫[17-18]。NB-IoT技术就是一种面向远距离通信、低速率、低功耗、低成本和大规模组网的技术，通过水位计、雨量计等传感器进行水文数据实时采集，NB-IoT传输模块负责采集数据传输给NB-loT云端服务器，最后传输到水文数据中心，非常适用于水文行业，其应用方案如图9所示。

图9 NB-IoT技术在水文上应用方案

4 结束语

NB-IoT窄带物联网作为LPWAN(低功耗广域网)的代表，被广泛、智慧地应用在生活中的各个领域，如基于NB-IoT技术的共享单车、井盖检测、抄水表、POS机等。NB-IoT窄带物联网是实现万物互联的突破性技术，具有支持远距离通信、海量连接、广覆盖、低功耗、低成本等特点，非常适用于远距离低速率物联网业务方面。水文测报系统具有站点多、通信距离远、连接多等特性，因此，NB-IoT技术同样适用于水文测报系统，且满足水文站点野外恶劣的环境要求，未来的NB-IoT技术必然在水文水资源领域大放异彩。