基于窄带物联网（NB-IoT）技术在智慧机场水质监测系统中的应用分析

闫天瑞， 余倩倩， 陈新威， 李抒智， 张 红， 王 江， 邹 军，石明明， 王洪荣， 苏晓峰， 陈 启， 郑炜陵

（1.上海应用技术大学a.化学与环境工程学院；b.理学院，上海 201418；2.上海产业技术研究院，上海 201206；3.上海贽匠智能科技有限公司，上海 201107；4.烟台华创智能装备有限公司，山东烟台 264001；5.西双版纳承启科技有限公司，云南景洪 666100；6.上海国际机场股份有限公司，上海 201207）

上海浦东国际机场位于上海市东边，靠近滨海地带，距市中心约30 km，是中国（包括港、澳、台）三大国际机场之一，主要以国际航班为主，也有部分国内航班。浦东机场场区管理范围较大，管辖面积约40 km2，包括54 km围场河、1.5 km2人工湖以及206 km污水管道等[1]。面对如此大的管辖范围以及较多的管辖项目，浦东国际机场通过4G、窄带互联网（narrowband internet of things，NBIoT）、光纤和全球定位系统（global positioning system，GPS）等多种物联技术建立智慧场区，搭建“一个平台，四大系统”的智慧管理系统，包括智慧防汛系统、智慧环境系统、智慧物联系统、智慧监控系统。作为万物互联网络的一个重要分支，NBIoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于全球移动通信系统（global system for mobile communications，GSM）网络、通用移动通信系统（universal mobile telecommunications system，UMTS）网络或长期演进（long term evolution，LTE）网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（low power wide area，LPWA）物联网（machine to machine，M2M）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT还使用license频段，可采取带内、保护带或独立载波等3种部署方式，与现有网络实现共存。机场利用NB-IoT等技术其特性，实现能够达到对机场各种环境实时监测的目的，其中水环境对机场的影响甚大，对水环境的实时监测具有重要意义，水质在线检测系统为水环境的治理提供智慧化的管控手段[2]。

1 水质在线检测系统建设的重要性

在机场经济时代到来的同时，水环境也受到比较严重的影响，为防止和治理水污染，加强水质监测变成治理和管理水环境的一项重要任务。但是按照一般的水质监测管理，是无法达到高效及时的自动监测管理的目标[3]。比如：浦东国际机场原来每月需开展1次河道断面人工检测，但此方法水质检测既耗时又无法实时得到水质数据样本，导致水环境的治理以及管理均会受到相应的影响，无法及时准确解决水质问题。

如今利用物联网等技术对水质进行监测，实现每4 h就进行一次自动检测，每月检测量提高180倍，并且极大丰富水质数据样本，实现对浦东机场水环境状况的实时掌握。水质在线检测系统对此发挥极大的作用，使水环境管理变得高效准确。

2 水质在线检测系统的建设内容

2.1 建设任务

进行水环境的水质监测的基础设施是分布在各采样点的采样设备[4]，其中传感器是浦东机场水质在线检测系统的设备基础。传感器包括p H传感器，温度传感器和浑浊度传感器等[5]。

在管理水环境的工作中，还需要对大量的数据进行分析和处理，为切实保证数据收集和传输上的及时性和有效性，浦东机场利用4G、NB-IoT、光纤和GPS等多种物联技术对机场水环境进行全数据监测[6-7]。汇聚数据后，平台管理系统需有效地归集场区各种实时的、有效的水质信息和价值度高的物联数据，才能实现对水环境实时掌控、精确管理和科学高效的决策。系统建设任务包括水质数据的自动采集、传输，物联网数据监测设备的建设，浦东机场智慧系统平台对水质监测信息的管理等。

2.2 建设组成

浦东机场水质监测自动管理系统其组成主要分为4个层面[2]，分别是数据获取层、数据传输层、平台管理层、应用层，如图1所示。

图1 水质在线检测系统Fig.1 Water quality online detection system

（1）数据获取层

数据获取层是系统的基础端，是数据的直接来源层。利用各种传感器、移动终端、电子标签等实现对机场水环境的智能感知、信息采集处理和自动控制，并利用通信技术将水环境实体链接到数据传输层和平台层。数据获取层是实现水环境感知的核心能力层，它能更精确、全面的感知水环境。

（2）数据传输层

数据传输层是系统的中间层，主要实现对水质信息的传递、路由和管控。该层通过构建广泛覆盖机场水环境的物联通信网络，实现水质在线检测系统物物相连、精度感知。利用各种通信技术，满足各类水质感知设备通信要求，形成一个完善的物联神经网络，构建高速数据传输通道。数据传输通道将感知层获得的水质信息，可靠地、安全地传输到平台层。其中NB-IoT是水质监测自动管理系统物联专网的核心内容，主要承担长距离、广范围的传输任务。

（3）平台管理层

平台管理层，即是物联网综合管理平台。向下接入数据感知层和数据传输层汇聚所得的水质数据信息，向上是应用层的统一数据接口。平台管理基于物联网的运用，归集实时有效且多样丰富的数据，包括终端感知的水质数据信息和外部系统反馈的数据信息等。其信息特点为实时性强、价值度高、数据鲜活，是形成系统数据的重要信息来源。

（4）应用层

应用层是实现对水环境数据处理的物联网应用领域，利用物联网技术与机场实际需求结合，并对获取水质数据信息进行计算分析，形成智慧方案，更加高效精确地管理、整治机场水环境。

2.3 系统布设

浦东机场地处经济活跃的长三角地区，服务范围波及整个中国，地域广，人口流量大。上海属于季风气候，气候适宜，雨水均匀，需结合浦东机场具体设施的建设和降雨特点来安装相匹配的传感器，并且要做到全方位安装传感器。还要解决人口流量大等问题带来间接性通信延迟导致数据传输的滞后性等诸多因素，采用的系统不能影响机场的运行。

本次设计可以说综合考虑了浦东机场作为特殊场地的需求及其智慧系统的建设，结合了机场的特点，通过全方位的研究考量，设计了此套因地制宜的水质在线检测系统，并在实际使用中达到了出色的效果。

系统功能主要包括数据采集、数据传输和平台管理。数据采集功能可以实时精准的感知识别水环境，能够高效自动采集有价值的水质信息，并且采集的水质数据样本丰富[5,8]。浦东机场管理的水环境分布范围广，要求数据传输功能快速而准确[9]。平台管理是指整个系统实现全自动监测，需要按时优化系统中出现的新出现问题，并且找到相应的方法。当然，仍然需要在后续工作中对水质监测自动管理系统进行完善，将其设置得更加合理和多样化，找到随机“失真”的原因。

2.4 系统工作体制选择

本水质监测自动管理系统采用的是混合制的体制，通过基础设施传感器采集数据、通过物联传输数据、通过数据处理中心处理并反馈。实现全自动化监测，可以随时开手机app观察需要知道的水质污染情况等。一方面大大降低人力物力，另一方面也可以节约更多的资金用于系统的维护与优化问题，更重要的是显著提高工作效率，使各个部门系统联系得更加紧密。

3 系统应用介绍

水质监测系统从2018年下半年开始建设实施，现已经正式上线3年多。系统依托NB-IoT等技术，应用水质监测的物联监测终端。同时，在PC端的管理平台基础上，开发移动端的APP，实现关键水质信息的同步显示和查询，利于领导或管理单位对平台的灵活使用。系统主要应用于浦东国际机场景观水池围场河水质监测，在实际应用中可以实时勘测到水质信息的变化，对管理人员早期处理水环境问题提供较大空间[10]。此外，通过系统的水质信息数据记录，可以了解特定时间、特定区域一些易发生的水环境问题，可以针对性采取一些预案措施，从而提升水环境问题的处置能力，也为其处置方式优化提供支撑，从而提升整体管理能力。

4 结语

浦东国际机场通过4G、NB-IoT、光纤、GPS等多种物联技术建立水质在线检测系统，实现水质信息的实时监控与管理，并通过系统进行数据查看、数据审核、数据分析、大数据展示、报警管理等工作，为浦东机场水环境治理提供智慧化管控手段，对水环境的治理有显著作用[10]。