基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在眾包模式下的應(yīng)用

冉卓衡

（天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387）

0 引 言

隨著人們的生活水平的提高，人們對于日常環(huán)境的感知與關(guān)注程度呈現(xiàn)明顯上升趨勢。環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品的年銷售總額不斷提高，近10年復(fù)合增長率甚至達到了10.58%。軟件信息服務(wù)領(lǐng)域正處于蓬勃發(fā)展態(tài)勢，用戶通過使用手機接收物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測報警設(shè)備發(fā)送的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)與測量報警信息的模式逐漸趨于穩(wěn)定成熟。因此，未來還會有更多的嵌入式實時環(huán)境監(jiān)測與報警設(shè)備在不同領(lǐng)域“落地生根”。

1 環(huán)境監(jiān)測設(shè)備當(dāng)前面臨的主要問題

環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的功能在單獨的數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上必須不斷融合新技術(shù)和需求，結(jié)合當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)潮流形成大數(shù)據(jù)系統(tǒng)智慧環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從而滿足決策依據(jù)、響應(yīng)體系信息支持、滿足應(yīng)急和預(yù)警各類需要[1]。但時，現(xiàn)有資源和模式通常無法完全滿足此類信息服務(wù)的要求，尤其是在面向個體的精細化、精準(zhǔn)化的管理決策方面還存在一定差異[2]。想要實現(xiàn)大數(shù)據(jù)反饋給用戶有價值的預(yù)警信息，必須在眾包模式下收集一定量的用戶設(shè)備的日常實時環(huán)境數(shù)據(jù)。在這種模式下工作的嵌入式設(shè)備應(yīng)具有耗能低、成本小以及覆蓋范圍廣等特征。將大數(shù)據(jù)中的眾包模式運用于NB-IoT設(shè)備中，可以有效解決收集用戶數(shù)據(jù)面臨的各項問題，實現(xiàn)一定程度范圍內(nèi)自然、人為災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)報功能。例如，用戶在智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用背景下使用實時聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，存在應(yīng)用規(guī)模小、技術(shù)水平相對低下、感知設(shè)備通用性不足、信息實時性不夠和農(nóng)場間信息割裂等問題[3]。此時，企業(yè)如果想要在云端收集一定量的用戶環(huán)境數(shù)據(jù)，必須實現(xiàn)信號的深度覆蓋。因此，企業(yè)能夠通過讀取不同地域與應(yīng)用場景下的實時環(huán)境位置數(shù)據(jù)，并給與該用戶或與之相鄰的其他用戶以及時的數(shù)據(jù)反饋，從而方便國家氣象部門、環(huán)境監(jiān)測機構(gòu)等政府管理部門進行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析與運用，以解決政府生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測信息和以計劃經(jīng)濟方式組織環(huán)境監(jiān)測的模式帶來的環(huán)境監(jiān)測成本過高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率低、效率低、創(chuàng)新能力低、規(guī)?；潭鹊鸵约胺钦原h(huán)境監(jiān)測站（點）難以發(fā)展等問題[4]。

2 NB-IoT特點與眾包模式應(yīng)用概述

盡管近些年來物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)展迅速，但早在20世紀(jì)90年代末，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）中“萬物互聯(lián)”思想就已經(jīng)被美國麻省理工學(xué)院提出。早期傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存在諸多缺陷，導(dǎo)致其無法大面積有效部署。但是，隨著人工智能與NB-IoT技術(shù)的逐漸成熟，使得上述部分缺陷得以彌補。

2.1 NB-IoT設(shè)備特點

NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢有力推動了當(dāng)下以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為首的各個行業(yè)的快速發(fā)展，主要具有以下4大技術(shù)特點。

2.1.1 低功耗

NB-IoT設(shè)備在PSM模式下會關(guān)閉射頻，可進行長期睡眠。當(dāng)設(shè)備從PSM模式中被喚醒后，會立即重新連接至當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)。而設(shè)備在eDRX模式時則支持較少頻次的尋呼監(jiān)聽，以達到低功耗的目的。這兩種模式均可幫助窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)更長時間的待機。部分設(shè)備甚至可以實現(xiàn)在99%的工作時間均處于睡眠狀態(tài)。正是由于低功耗的特點，NB-IoT設(shè)備的壽命最長可達10年。

2.1.2 低成本

NB-IoT設(shè)備耐用的同時，模塊成本非常低，普遍價格不超過5美元，且這種設(shè)備維護成本較低。因為低頻次、低速率的特點，NB-IoT設(shè)備數(shù)據(jù)的利用程度高，尤其是在大規(guī)模部署后，一定程度上減少了通信費用。

2.1.3 廣覆蓋

NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)建，蜂窩網(wǎng)絡(luò)目前正服務(wù)于全世界半數(shù)以上的土地面積和90%以上的不同人群。在相同頻段下，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)不但比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，服務(wù)范圍也擴寬了數(shù)百倍。即使設(shè)備處于公共地下停車場、山洞和隧道等其他網(wǎng)絡(luò)信號難以達到的地方，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)也可實現(xiàn)信號的部署。

2.1.4 海量連接

NB-IoT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5]。

2.2 眾包模式運用

眾包（crowdsourcing）是近年來人工智能與大數(shù)據(jù)領(lǐng)域最常用的模式之一?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的問世，大大降低了人與其他客觀實體產(chǎn)生聯(lián)系的成本。而眾包模式正是基于這一特點，將原本由公司內(nèi)部員工承擔(dān)的工作，通過互聯(lián)網(wǎng)分配給公司以外的大眾人群，以自愿自由的形式集思廣益。在這期間，公司只需要給予貢獻者少量的回報，甚至在特定情況下這種貢獻是免費的。例如，人們?nèi)粘３鲂兴璧膶?dǎo)航軟件，借助的地圖不一定全部是由企業(yè)工作人員實地勘測得來的。一些偏遠山區(qū)的行車土路、公園內(nèi)部的林蔭小徑等，都是通過收集并分析大量使用者在使用軟件時的行進軌跡數(shù)據(jù)分析得來的。工作人員只需要核驗眾包的結(jié)果，甚至不需要檢驗就能實現(xiàn)對地圖的細節(jié)進行精準(zhǔn)的測繪和實時的調(diào)整。例如，百度地圖和高德地圖通過在自有軟件內(nèi)嵌數(shù)據(jù)上報功能進行交通路況事件信息的眾包采集，為用戶提供了大量優(yōu)質(zhì)、精準(zhǔn)的信息服務(wù)內(nèi)容，如信息查詢、城市路況、公交到站預(yù)報以及多方式路徑導(dǎo)航等[2]。

3 NB-IoT設(shè)備眾包監(jiān)測方案

通過眾包模式，每個用戶手中的NB-IoT實時環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)將會更加有價值。同時，使用者在提供相關(guān)反饋信息后，云端服務(wù)器下發(fā)的預(yù)警和預(yù)報信息也將變得更為精確。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

在眾包模式下運行的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備中，企業(yè)和政府通過云端讀取并分析大量一定區(qū)域內(nèi)采集到的實時數(shù)據(jù)，通過不同的網(wǎng)絡(luò)給予數(shù)據(jù)上傳者一定的有參考價值的預(yù)警預(yù)報信息。設(shè)備在這種模式工作時，技術(shù)架構(gòu)如果按照通常的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)劃分可分為3層，自頂向下分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。在這3層架構(gòu)中，每一層都發(fā)揮著重要作用，各層的具體功能如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的3層系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.1 感知層

感知層主要承擔(dān)數(shù)據(jù)采集和物與物之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔茫俏锫?lián)網(wǎng)設(shè)備信息的來源。感知層的主要作用是采集不同場景工作狀態(tài)中NB-IoT設(shè)備周邊的環(huán)境、位置等數(shù)據(jù)，為上層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層對傳感器收集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化編碼，并提供密鑰認證與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)。絕大多數(shù)云平臺和實時環(huán)境監(jiān)測設(shè)備可依靠蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互和命令下發(fā)。計算機網(wǎng)絡(luò)可用于對大數(shù)據(jù)平臺的軟硬件設(shè)施進行校正和維護。不具有通信功能的傳感器設(shè)備，需要借助帶有藍牙模塊的單片機控制系統(tǒng)進行間接傳輸。而具有NB-IoT或者WiFi聯(lián)網(wǎng)功能的環(huán)境采集傳感器設(shè)備，可以直接進行遠程蜂窩網(wǎng)絡(luò)的直接傳輸。

3.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層可在該層部署與開發(fā)多樣化的物聯(lián)網(wǎng)云端智能應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的“大腦”。以HTTP/MQTT等傳輸協(xié)議式向用戶、企業(yè)和政府單位等，提供數(shù)據(jù)的可視化與分析服務(wù)?；趹?yīng)用層，企業(yè)可實現(xiàn)大數(shù)據(jù)預(yù)報和預(yù)警的互聯(lián)分析平臺構(gòu)建。該平臺將數(shù)據(jù)多方互聯(lián)后，在應(yīng)用層完成控制命令、預(yù)警信息以及預(yù)報信息等全部功能的下發(fā)，滿足實時環(huán)境監(jiān)測與報警設(shè)備的功能實現(xiàn)。平臺構(gòu)建完畢后，用戶可基于便攜式智能終端，通過選擇自己的應(yīng)用領(lǐng)域，綁定個人位置信息后接入系統(tǒng)，從而接收有一定價值的分析數(shù)據(jù)與參考結(jié)果。

3.2 大數(shù)據(jù)與人工智能分析平臺構(gòu)建

眾包模式下的數(shù)據(jù)采集可應(yīng)用于消防、農(nóng)業(yè)、海洋等多個應(yīng)用場景，在滿足大數(shù)據(jù)與人工智能進行數(shù)據(jù)交互的基本前提下，可針對不同行業(yè)領(lǐng)域與應(yīng)用場景的使用特點進行子功能的研發(fā)規(guī)劃與設(shè)計。云平臺工作示意圖如圖2所示。

圖2 云平臺的工作示意圖

3.2.1 智能消防領(lǐng)域

在消防領(lǐng)域，NB-IoT環(huán)境監(jiān)測設(shè)備通常用于監(jiān)測CO、NO2、SO2、PM2.5等參數(shù)。平臺通過對大量已知火災(zāi)地點的環(huán)境參數(shù)進行取樣分析，在大數(shù)據(jù)平臺上設(shè)置“火災(zāi)典型數(shù)據(jù)”報警專項。當(dāng)用戶不在家中且檢測到可燃物質(zhì)產(chǎn)生的一些參數(shù)的特定組合時，可實現(xiàn)智能報警，減少傷亡與公共資源的損失，同時可以根據(jù)反饋結(jié)果不斷修正參數(shù)，使得下一次預(yù)警更為精確。

3.2.2 智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

在實時收集大棚內(nèi)溫濕度、光照度等參數(shù)的同時，大數(shù)據(jù)對比往年該地區(qū)距離最近的其他大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的數(shù)值，從而給管理者在環(huán)境參數(shù)上相關(guān)的建議與參考，同時關(guān)注參數(shù)的變化趨勢，并智能對比其他附近大棚的數(shù)據(jù)參數(shù)，及時給予管理者一定的報警信息，從而有效減少用戶損失。

3.2.3 海上作業(yè)場景

我國海域由于受季風(fēng)氣候的影響，尤其是東南沿海一帶，天氣狀況通常變化莫測，對于出海的船只造成了不利影響。利用云平臺智能分析已出海船只上NB-IoT設(shè)備上報的實時大氣壓、風(fēng)速等參數(shù)，結(jié)合政府氣象臺數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)大數(shù)據(jù)預(yù)報與預(yù)警海洋中突發(fā)性自然災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié) 論

隨著通信行業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)下以手機為終端的大數(shù)據(jù)眾包模式發(fā)展已經(jīng)趨于成熟。例如，高德地圖、百度地圖通過這種方式與市交管局展開合作，開啟了“智慧交通”模式。但是，物聯(lián)網(wǎng)實時環(huán)境監(jiān)測設(shè)備對于數(shù)據(jù)讀取與警告信息的下發(fā)經(jīng)歷了人工讀取預(yù)警、2G、3G、WiFi聯(lián)網(wǎng)智能家居播報等階段，但是都沒有能夠?qū)崿F(xiàn)實時化、大數(shù)據(jù)、廣覆蓋、低功耗和強連接的要求。本文基于眾包模式和NB-IoT技術(shù)的特點與優(yōu)勢，對嵌入式實時環(huán)境監(jiān)測設(shè)備在眾包模式下實現(xiàn)一定程度范圍內(nèi)自然災(zāi)害和人為災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)報方案進行了詳細的分析闡述，同時構(gòu)建了不同應(yīng)用領(lǐng)域和場景下預(yù)警、預(yù)報大數(shù)據(jù)分析平臺的相關(guān)功能與設(shè)施，以滿足相關(guān)公司或政府管理部門對大數(shù)據(jù)的讀取與運用等。隨著人工智能時代的來臨，大數(shù)據(jù)結(jié)合NB-IoT通信技術(shù)在實時環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越重要，極具市場推廣價值。