NB-IoT的水环境在线监测关键技术探讨

冯艳红，张文婷，周 铸，张贺贺

（1.江苏省水文水资源勘测局南京分局，江苏 南京 210000；2.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏 南京 210000）

我国是世界上水资源最丰富的国家之一，年水资源总量为2.8万多亿吨，在全球各国排第六位。但同时，我国也是世界上水资源最缺乏的国家之一，人均水量不足2 400 m3，仅为世界人均水量的四分之一，全球排名第110位，是联合国统计的13个贫水国家之一。当前我国600多个城市中，有400多个城市存在着供水不足的问题，其中有100多个城市存在着严重的缺水问题，而我国每年缺水量大约为60多亿 m3。在严重缺水的同时，我国还存在着较为严重的水资源浪费现象。具体表现为：我国的工业生产用水量比国外发达国家的工业生产用水量高出5～10倍，而且，国外发达国家在水资源的重复利用率方面达到了70%以上，而我国仅为25%左右。而加强水质监测，能为水资源保护工作提供准确的数据参考，是现实水资源合理开发利用的前提和基础，特别是在当前智慧城市建设过程中，基于NB-IoT技术，对水环境进行在线监测，开展水环境数据的采集和记录，分析水质状态数据，用于水环境的管理，能实现人们安全的饮水及水资源生活环境提供参考。

1 NB-IoT概述

NB-IoT是英文“Narrow Band Internet of Things”的首字母缩写，意为窄带物联网，是物联网重要的分支之一。其组成也是基于蜂窝网络，在实际运用中，这种技术能有效降低网络部署的成本，而且根据相关研究数据显示，运用了NB-IoT的设备电池寿命能够延长至10年[1]。

进入二十一世纪以来，随着信息技术的快速更新发展及普及应用，移动通信技术已经从传统的人与人之间信息的传递，向着人与物以及物与物之间的信息传递发展，万物互联已经成为互联网技术发展的必然趋势。特别是随着我们进入到5G时代，移动蜂窝网络不仅具有可移动的显著特性，同时还具备了覆盖范围更加广泛以及大数据连接等显著的特性，使得该技术应用的场景范围得以进一步拓展，逐渐成为物联网发展中不可或缺的技术，并具有广阔的发展前景。目前，NB-IoT技术已经被广泛应用于智能家居、智慧医疗以及车联网当中，具有如下四个方面的显著特点：第一，覆盖范围更广。根据相关研究数据显示，NB-IoT技术在同样的频段下，较传统的网络技术，具有100倍增益的覆盖区域能力；第二，能够为大数据连接提供支撑。根据研究数据显示，NB-IoT的一个扇区，可以支持10万个连接，这样在网络架构方面就具有更加显著的优势；第三，功耗相对更低。根据研究数据显示，NB-IoT技术支撑下的终端模块，电池待机时间能超过10年，因此具有超低设备功耗的显著特点；第四，成本低廉。根据相关统计数据显示，运用该技术后，企业单个的模块连接成本不会超过5美元，因此，设备成本极为低廉。

2 国内水环境监测现状分析

我国国内对于水环境的研究工作，始于20世纪80年代改革开放之后，发展到今天，在水环境监测技术及设备研究方面，均取得了不俗的成就，但在技术产业化方面仍存在着一定的不足。目前，我国各地开展的水环境监测工作主要分为实验室监测、自动监测站监测以及移动监测这三种方式，所取得的成果主要包括如下几个方面：首先，我国技术人员对水质在线监测系统及相关的技术进行了不同程度的探索，其中，三级水质监控网络构建关键技术具有世界领先性；第二，在研究的过程中，我国的技术研究人员借助单片机、PLC、GIS技术等方面基于光谱特性及污染源监测原理等不同方面进行了探索，研发出了多种不同的水质在线监测技术；第三，在水质监测设备方面，我国的研究人员通过引进国外的设备，并基于我国各地区独特的水文条件，对引进的先进设备进行了国产化的探索。但就目前而言，我国技术人员在NB-IoT的水环境监测应用研究尚未深入，研究结果相对较少。

3 基于NB-IoT的水环境在线监测关键技术探讨

3.1 在线监测设备分析

在水环境在线监测工作中运用NB-IoT技术，需要在预设的各个监测数据采集点布设相应的采样设备，这也是对水环境进行在线监测工作的基础和前提。但目前我国市场上并没有成熟的产品可以直接进行运用，布设的采样设施基本上都是从国外进口的，因此，还需要加强对常规水环境监测设备的研发。根据水环境在线监测工作的要求，各采样点布设的水质监测设备主要的功能就是能够对于采样点区域流经水体的水质主要特征，如水体的清浊度、水质的pH值以及水位的高度等数据进行实时的采集。为了确保工作的顺利开展，并降低工作的成本，工作人员在选购设备时，应在不影响数据采集的实时性与准确性的基础上，尽量采购国内质优价廉的设备。此外，在设计研发的过程中，水质在线监测工作中可能遇到的汛期现象、突发洪水或者是突发污染等特殊的情况，为了避免这些情况的出现而影响到设备数据采集的实时性与准确性，设计人员还应针对性设计专用的应急监测设备，并制定出切实可行的监测方案。只有这样从硬件设备上实现对水环境在线监测的规范化管理，并从技术方面予以明确标准，才能提升数据采集的实施性与可靠性，从而为后续的工作奠定坚实的基础[2]。

3.2 进行底层数据的采集

在运用NB-IoT技术构建水环境在线监测系统时，为了简化系统构建的过程，并保证其功能，同时最大限度降低系统的功耗，以及确保数据在实时传输过程中的准确性，设计人员还应运用NB-IoT芯片来对底层的数据进行采集。这样不仅可以采集水质的信息，同时还能采集水体的参数信息，并根据采集的数据对被检测水体的水质进行初步的评判。在具体操作中，因为水环境在线检测系统主要是由核心设备、网管服务器、基站以及交换机等构成的，工作人员就需要结合设置的采集点或者是实验室设置的实际情况，科学进行系统的架设，而且在完成系统架设后，还要对其进行一系列完善的测试工作，从而确保系统的功能复合监测工作的需求，以满足实验的要求。

3.3 水环境在线监测信息管理系统分析

采用在线水环境监测，其信息管理系统的主要功能包括如下几个方面：

首先，是进行水环境的数据采集。水环境在线监测信息管理系统集成了数据库的管理系统、地理信息系统以及水质预测模型等一系列的管理，能够对被监测水域的水环境进行实时、直观的信息收集，并实现数据信息的可视化表达，特别是能够对被监测水域水环境数据的异常情况予以准确展现，如水体污染超标等紧急情况。同时还会及时发出警报。此外还能根据出现不同的问题，及时给出相应的解决措施和建议。通过这样的方式，能够实现对被监测水域水环境相关数据的动态化管理，切实提高水环境管理工作的自动化程度。最后，该信息管理系统还能方便人们对于各种监测数据的查询，在最短的时间内将使用者需要的信息，以静态方式，或者是动态的方式展现出来。而预测功能则能对用户选择监测的对象以及参数进行相应的水质预测，并将预测的数值连同已有的监测数据一起输出，从而为使用者的决策提供准确的参考[3]。

其次，是进行水环境的状态监测和查询工作。在具体运用中，工作人员借助相应软件对被监测水域的水环境进行建模和仿真，对于现场传感器群采集的数据进行分析，准确定义该水域内各监测参数的评价等级，并确定该水域水环境状态的基本函数，特别是通过对该水域水环境的状态值进行分区段关联颜色，根据实时监测的数据，对于各类水体运用不同的颜色予以标识，这样用户就可以通过该系统的可视化表达，直观地获取该区域水环境的实时评价信息[4]。

最后，是对水环境的事故及时预警处理。在实际运用中，水环境在线监测信息管理系统还能为环保部门的水环境监测及预测工作提供决策支持，特别是可以设置水环境关键参数的预警阈值。这样，当系统监测的数据值达到系统设定的预警阈值时，该系统就会自动发布警告，并针对不同数据的情况，向用户提供相应的处理建议。

4 结语

综上所述，对水环境进行实时在线监测，是提升我国水安全的重要手段。而基于NB-IoT通信技术构建水环境的在线监测信息采集工作，利用单片机嵌入式系统进行水质监测终端的构建。同时，利用GIS技术，借助数学建模以及系统仿真，构建出最优的信息监测网络，对各监测点的水环境特征数据进行全面的采集，并实现在线监测数据的实时传输，不仅能对我国水环境的水质进行全面而准确的分析，还能对水域内的水位高度及水素进行分析，从而为我国河流汛期内洪涝灾害事故进行准确预警。因此，我们必须重视水环境在线监测系统的构建，不断探索基于NB-IoT通信技术的在线监测系统的关键技术，从而推进NB-IoT技术在水环境在线监测工作中的运用。