NB-IoT在水利信息采集中的应用研究＊

刘一均,冯黎兵,郑嘉龙,陈 荣,谭兴杰

（四川水利职业技术学院，四川 成都 611231)

1 引言

水利信息是各种水利对象特征(维度)指标的总和，表现为水利数据。水利信息化是充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，实现水利信息采集、传输、存储、管理和服务的数字化及网络化与智能化，全面提升水利事业活动的效率和效能的历史过程。

水利信息化在信息采集与工程监控方面指标为：选择采集点、自动采集点和监控点的总量。水利信息化依据水利信息采集系统，实现水文站的无人值守，实现水文信息自动采集、全天候定时传送、长期自记和存储，将有效提高水文信息采集能力，扩大水文资料的收集面，改善目前我国水文信息采集现状，为完成历年防汛抗旱、水利工程建设、水资源管理、水环境保护以及相关的经济建设和社会发展任务作出贡献[1-2]。

图1 传统的水利信息化采集系统(利用电缆)

2 水利信息化中的通信技术

水利信息资源采集的完整性、灵活性、动态性和准确性直接影响和制约着水利工作的效能，传统的电缆通信方式受制于电缆的部署以及使用的场景，导致实时性不够，且不够灵活。随着无线通信的发展，充分利用通信技术发展的成果，可以构建以无线通信为基础框架的多元信息采集体系。

早期的水利信息采集系统已经引入了GPRS 无线通信，但是GPRS 技术的覆盖受限，容量较低，不适合水利信息化的使用[3]。并且随着通信技术的发展，其生命周期较短，很快被NB-IoT等技术取代。

图2 水利水文自动测报系统

3 基于NB-IOT技术的水利信息化

随着通信技术从2G到3G以及4G的发展，通信技术越来越广泛应用于物联网业务中。在物联网业务中，高速率业务主要使用3G/4G 技术，中等速率业务仍然主要使用GPRS 技术，而低速率业务目前并没有针对性的蜂窝技术来满足，但这类业务却有着丰富多样的应用场景和庞大的规模，很多情况下只能使用GPRS 技术勉强支撑。因此，通信制造厂商们迅速达成推动窄带蜂窝物联网产业发展的共识，正式开始NB-IoT的研究。

NB-IOT，又名窄带物联网，是物联网的一个新兴技术。它构建于蜂窝网络，可直接基于GSM/WCDMA/LTE 部署。其部署方式灵活，支持独立部署、保护带部署、带内部署3种模式[4]。

NB-IoT 具有低成本、低功耗、广覆盖、低速率特点。其低功耗的特点，可以支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。有的NB-IoT设备电池寿命可以提高10年。同时NB-IOT基于当前的LTE等部署，不需要单独建网，可以节省成本。节省成本的同时，NB-IoT具有广覆盖的性能，比LTE 提升20dB 增益，其穿透能力强，可以穿透地下、墙壁等，提供非常全面的蜂窝数据连接覆盖；除此之外，NB-IOT 占用较少的频率资源，可以进行海量连接[5-6]。基于这些优点，所以NB-IOT 广泛用于远程智能抄表，停车管理系统等领域，同样可以用于我们的水利信息数据收集。

水利信息具体间断性、上报数据少但是数据量大等特点。水利信息收集不需要一直连续采集，可定时采集，并且其单次数据少，仅需上报水位信息和水质信息等；同时因为水利站点的分布广，数量多，多分布于江河、湖泊及山区等，所以其要求能有广覆盖并且穿透能力强；水利信息的上报还需要一定的准确性和可靠性。结合水利信息数据的这些特点，NB-IoT 技术成为首选的技术，用于水利信息化系统中。

3.1 基于NB-IoT的水利信息化应用的系统原理

基于NB-IoT 的水利信息化系统可以分为NB-IoT终端、基站、核心网以及信息处理平台。

图3 基于NB-IOT的水文自动采集系统架构

图4 基于NB-IoT的水利信息化系统

3.1.1 NB-IoT终端

通常的NB-IoT的终端包括传感器、控制处理单元、NB-IoT处理单元以及电源等。在水利信息采集系统中，常用的传感器有检测水位的传感器以及检测水质的传感器。我们可以在各水文站中安置传感器，采集水位及水质等信息，然后将测到的数据通过控制单元传送给NB-IoT处理单元。控制处理单元主要用于控制传感器，并将传感器获得的数据，转化成NB-IoT 处理单元所能处理的信号格式。NB-IoT 处理单元则将信号转化为无线信号传递给NB-IoT的基站。

NB-IOT终端的具体信号流程如图5所示。

图5 NB-IOT终端的信号流程图

3.1.2 NB-IoT基站

NB-IoT基站即通常的移动基站，主要完成移动通信网和NB-IoT 终端之间的通信和管理功能。基站负责NB-IoT终端的无线信号的接入，并同相应的NB-IoT核心网相联系，负责将接收到的水利信息传输给核心网。作为NB-IoT 终端非接入层，其组网形式可视情况选取独立或者融合组网。

3.1.3 NB-IoT核心网及信息处理平台

通过NB-IoT核心网，可以实现终端信息交互和处理。核心网接收到多个基站的用户数据，借助转接的数据信息实现用户终端的签约、认证等业务，然后再转发至物联网信息处理平台，用于进一步进行水利信息的分析处理。

信息处理平台，可以实现的功能有：一是收集所有水文站采集的数据并进行分析归纳；二是进行应用功能开发，譬如进行水位检测判断，是否超过水位警戒线等。三是对检测后的结果进行后续处理，譬如某个水文站异常，需要通知工作人员进行相应的处理。信息处理平台，未来可以结合大数据分析及引入机器学习，根据水文站的历史信息，智能预测在未来的某段时间的发展趋势，并提前做好洪水预防等工作，达到智能水利的效果。

3.2 基于NB-IoT的水利信息化应用

基于NB-IoT的智能水文信息采集系统装置利用共用数据网通信，将有助于改善水文信息的传输方式，总增益达20dB。其具有广覆盖特点，可散布于江河、湖泊和水库核心区及其各分支流，提高水文数据采集的准确性、精度，解决固定水文监测站水文采集的局部性和基于GPRS水文采集系统数据传输信号差等问题。

借助PSM 和eDRX 技术可实现更长待机，通过简化无线协议，缩短发射/接收时间、单芯片SOC解决方案等措施，大大降低了功耗，使得基于NB-IoT的智能水文信息采集系统装置在江河、湖泊和水库密集分散布局时，延长使用寿命，降低维修和维护成本。

基于NB-IoT 的智能水文信息采集系统装置与IoT的数据平台一起，有利于构成智能系统。第三方应用服务器可以主动到IoT 信息化平台查询数据或者IoT 信息平台将数据推送给第三方应用服务器；同时，第三方应用服务器可以通过IoT平台给终端下发数据，实现水文信息的实时共享、发布。

NB-IoT 的覆盖广，传输数据具有很强的穿透能力，其引入重复传送，也大大提高了传输的可靠性。基于NB-IoT 的智能水文信息采集系统装置也可布局于城市地下管网和下穿隧道中，实时监测水文数据的变化，为智慧城市建设提供支撑。

3.3 基于NB-IoT的水利信息化的展望

基于NB-IoT 的水利信息化把NB-IoT 的技术引入到水利信息采集、传输、存储、管理和服务等领域中，提升了水利数据采集的容量以及实时性，为未来的智慧水利奠定了基础。随着无线通信的发展，未来5G 的Massive IoT 的引入，以及人工智能的发展，也必将会对水利信息化带来极大的便利，推动整个水利信息化的发展。

4 结束语

水利信息化的发展经历了从电缆到GPRS再到NBIoT技术的过程，表现出同科技发展的密切关系。从2017年6月16日，工信部正式公开《全面推进移动物联网(NBIoT)建设发展的通知》，明确以14 条举措全面推进NBIoT 建设发展，到2020年建设150 万NB-IoT 基站、发展超过6 亿的NB-IoT 连接总数。随着NB-IoT 基站和网络建设的发展，必将推动NB-IoT 技术在水利信息化中的应用，提高水利信息采集覆盖面和机动灵活性，从而推动“数字水利”和“智慧水利”的建设。