NB-IoT技術及其在水文中的應用

魏國晉，張 亞，胡春杰

（1.青海省水文水資源測報中心，青海 西寧 800001；2.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

水文自動測報系統是利用傳感器技術、計算機技術和通信技術，將江河、湖泊、水庫等流域的水位、雨量、流速等水文數據進行實時采集、存儲、傳輸、處理、預警的水文測報自動化監測系統[1]。當前，水文測報系統采用的無線通信技術主要有藍牙、WIFI、蜂窩移動通信4G、ZigBee等，但針對通信距離遠、低功耗、低成本、網絡布置靈活的無線通信，現有的無線通信技術難以適用。NB-IoT技術是一種新興的LPWAN(低功耗廣域網)技術，具有遠距離、低功耗、低速率、低成本、靈活組網等特點，隨著物聯網的應用越來越廣泛，水文傳感器數量相應地也越來越多，所以NB-IoT技術在水文自動測報中的應用已勢在必行[2-3]。

1 低功耗廣域網

低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是一種低功耗遠距離的無線通信網絡；其由于網絡覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點更適合于大規模的物聯網應用部署[4]。相較于熟悉的Zig-Bee、Bluetooth、Wi-Fi無線通信方式，LPWAN的傳輸距離更遠，一般為公里級，其鏈接預算（linkbudget）可達160 dBm，而Bluetooth和ZigBee一般在100 dBm以下。相比傳統的蜂窩網絡技術（2G、3G），LPWAN的功耗更低，電池供電設備使用壽命可達數年。速率與覆蓋范圍如圖1所示。

圖1 速率與覆蓋范圍

2 NB-IoT關鍵技術

NB-loT是一種授權頻譜的蜂窩通信技術，是3GPP針對LPWA定義的新一代蜂窩物聯網技術。NB-loT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180 kHz的頻段，可直接復用現有的基站設備，直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，減少部署成本、實現平滑升級，使運營商高效地切入物聯網市場[5-7]。

2.1 低功耗

低功耗是NB-IoT最關鍵特點之一，而PSM、eDRX對于NB-IoT低功耗的作用更不言而喻，PSM、eDRX兩種模式具體介紹如下：

1）PSM（Power Saving Mode）

PSM即低功耗模式，NB-IoT進入PSM狀態除定時器開啟，其余部分完全處于關機態，大大降低了整個模塊的功耗，處于最省電狀態。PSM模式下電流消耗如圖2所示。

圖2 PSM模式功能示意圖

NB-IoT處理完任務之后轉為空閑態，然后將會開啟Active定時器，其超時后進入PSM模式。NBIoT在空閑狀態時正常接收處理尋呼，進入PSM模式后不再處理接收尋呼。當TAU周期請求定時器（Tracing Area Update）超時或者需要上行數據傳輸Unit時才會跳出PSM模式。Unit在PSM模式下處于睡眠狀態，但網絡中Unit的狀態依舊是注冊。在此模式下僅有RTC模塊正常工作。所以功耗能夠低至微安級別，從而大大提升了整體待機水平。由于PSM模式下監聽功能失能，所以應用的業務對延時要求不能過高。

2）eDRX(extended Discontinues Reception)模式

DRX(Discontinuous Reception)為不連續接收模式，而eDRX為擴展不連續接收模式，也就是對原DRX技術的增強，使通信模塊監聽的網絡尋呼周期增長，減少Unit監聽尋呼、Unit連接入網、Idle狀態的頻率，從而降低Unit功耗，在Idle狀態下，eDRX周期為20.18 s～2.92 h，連接狀態下周期可以延長到10.24 s。對于數據交互量較大以及低延時的應用場景，周期性TAU和Unit自主喚醒頻率會很高，而PSM模式下喚醒需要信令交互。故對于不適用PSM模式的場景可通過靈活設置eDRX周期來節省功耗。

對于eDRX，可根據不同應用場景對通信的要求，如時延、交互頻率，選擇最優化的eDRX周期，根據應用場景的業務需求進行配置eDRX的連接周期和空閑周期；并且可以同時使用eDRX與PSM模式，擬達到最大省電效果。eDRX與DRX的PTW周期（Paging）對比如圖3所示。

圖3 eDRX與DRX功能對比示意圖

2.2 深度覆蓋

在同樣的頻段下，NB-IoT比現有網絡增益提升了20 dB，覆蓋能力擴大了100倍，即使在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也同樣能覆蓋[8]。

2.3 海量連接

與現有無線技術相比，NB-IoT可以提升50～100倍的接入數，200 kHz帶寬下單基站小區可支持5萬用戶[9-10]；同時進行了海量存儲和接入控制的優化，適合海量接入的場景。

3 NB-IoT技術在水文中的應用

3.1 系統架構

NB-IoT技術在水文中的應用系統可以分為3層：感知層、網絡傳輸層和應用層，如圖4所示。

圖4 系統架構

應用層主要包括PC客戶端、手機、筆記本等。用戶通過PC客戶端或移動客戶端查詢讀取數據庫的歷史數據，主要實現用戶與水文測報系統的交互工作。

網絡傳輸層主要包括NB-IoT傳輸模塊和RTU等。NB-IoT傳輸模塊負責采集數據并傳輸給NB-loT云端服務器，RTU關負責數據采集、存儲、控制等。

感知層包括水位傳感器、雨量傳感器、墑情傳感器、水質傳感器等。這些傳感器通過串口RS485或RS232與RTU連接，RTU發送指令讀取水位、雨量、含水量、水質等傳感器中的參數值,并由NB-loT傳輸模塊將采集數據發送給NB-loT云端服務器。

3.2 硬件設計

根據水文信息系統設計原則[11-13]，其硬件設計可分為數據采集、主控板、NB-loT通信模塊及供電模塊，硬件架構圖5所示。

圖5 硬件架構

3.2.1 數據采集層

1）水位計

雷達水位計是一種非接觸式水位傳感器，其計算公式如式（1）所示。

其中，D為雷達水位計與液體表面的距離，c代表波速，是一個常數，T代表信號發射時間與接收時間的時間差，由式（1）可算出水位傳感器到液面的距離。該設計采用國產雷達水位計[14]，硬件設計如圖6所示。

圖6 雷達水位計硬件設計

2）翻斗式雨量傳感器

文中采用江蘇南水設計生產的JDZ05-1型翻斗式雨量傳感器，其分辨力為0.5 mm，誤差為±3%，雨強范圍在0～4 mm/min，硬件設計如圖7所示。

圖7 雨量傳感器硬件設計

3.2.2 主控板

主控板是整個系統的核心，其主要用于傳感器數據采集、水文數據解析與存儲。文中采用較低功耗、處理性能相對較強的STM32單片機（STM32 L475VET6）。STM32L475VET6與MSP430功耗對比如表1所示。

表1 STM32L475VET6與MSP430功耗對比

STM32L475VET6的特點[15-16]如下：

1）性能強勁，處理速度快。

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

3）大存儲。STM32L475VET6內部有高達512 kB大小的Flash，支持讀寫同步。

3.2.3 通信單元

文中采用NB-loT通信模塊型號BC28，兼容上海移元通信GSM的M26模塊，便于客戶升級，并且支持多種協議棧。BC28通信模塊如圖8所示。

圖8 BC28通信模塊

3.3 應用方案

隨著水利信息化的不斷發展，水文站點網絡對低功耗、低速率、靈活組網等需求迫在眉睫[17-18]。NB-IoT技術就是一種面向遠距離通信、低速率、低功耗、低成本和大規模組網的技術，通過水位計、雨量計等傳感器進行水文數據實時采集，NB-IoT傳輸模塊負責采集數據傳輸給NB-loT云端服務器，最后傳輸到水文數據中心，非常適用于水文行業，其應用方案如圖9所示。

圖9 NB-IoT技術在水文上應用方案

4 結束語

NB-IoT窄帶物聯網作為LPWAN(低功耗廣域網)的代表，被廣泛、智慧地應用在生活中的各個領域，如基于NB-IoT技術的共享單車、井蓋檢測、抄水表、POS機等。NB-IoT窄帶物聯網是實現萬物互聯的突破性技術，具有支持遠距離通信、海量連接、廣覆蓋、低功耗、低成本等特點，非常適用于遠距離低速率物聯網業務方面。水文測報系統具有站點多、通信距離遠、連接多等特性，因此，NB-IoT技術同樣適用于水文測報系統，且滿足水文站點野外惡劣的環境要求，未來的NB-IoT技術必然在水文水資源領域大放異彩。