基于NB-IoT與5G的智慧環(huán)境在線監(jiān)控云系統(tǒng)設計

文/李樹紅

環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控是環(huán)境治理、環(huán)保執(zhí)法、環(huán)境質量變化趨勢評價、環(huán)保管理賴以依存的手段，是環(huán)保管理的順風耳、千里眼。利用現代遠程監(jiān)控技術、計算機技術、網絡通信技術等，建設一套可全自動、全天候、全區(qū)域、全參數、全過程 、不間斷地對排污情況進行實時監(jiān)控的環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)，來提高環(huán)境監(jiān)管力度和效率、有效管控污染物排放，是為當務之急。

1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)現存問題

（1）鑒于經費投入及技術水平的限制，目前各地已投入使用的環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)測點位少，主要布署在重點排污企業(yè)的排放口、跨轄區(qū)河流斷面、重點工業(yè)園區(qū)周界、城市空氣質量監(jiān)測等。

（2）數據傳輸網絡方面，目前已建成投入使用的監(jiān)測系統(tǒng)主要采用光纖有線電路加數據傳輸的混合模式，具有布署困難、建設運營成本高、不能移動的缺點，難以適應網格化監(jiān)測站布署、移動監(jiān)測監(jiān)管、隨時隨地監(jiān)管等的需求。

（3）存儲設備、服務器布署于環(huán)保局中心機房，無法充分利用智能移動終端的便利性，已成為進一步提高環(huán)境監(jiān)管能力、管理效率的瓶頸。

（4）目前已建成的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)測為主，數據開發(fā)應用、研究分析較少。

2 NB-IoT和5G通信

NB-IoT技術：是一種基于LTE移動通信網絡的窄帶IoT技術，傳輸速率≤250kb/s，具有抗干擾能力強、安全可靠、連接容量大、傳輸距離遠、覆蓋范圍廣、設備功耗低、部署成本低等優(yōu)點，非常適合遠程環(huán)境監(jiān)控等低速物聯(lián)網應用。

5G通信技術：4G基站的信號覆蓋半徑約為500m，數據傳輸速率約73Mbps，奠定了NB-IoT大規(guī)模應用的基礎。而5G基站的通信半徑約150m～500m，基站的布署更為密集，設備的功耗更低，其數據傳輸速率高達1Gbps，使萬物互聯(lián)及高速無線傳輸應用成為可能。

3 系統(tǒng)設計

3.1 總體設計思路

為了保護前期在線監(jiān)控設備的投資，實現系統(tǒng)的平滑升級，兼容現有系統(tǒng)，基于5G網絡的智慧環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)應考慮以下問題：

3.1.1 數據傳輸網絡

由現在的單一有線通信網絡，轉為有線通信網絡+NB-IoT+5G無線網絡的混合模式。有線通信網絡用于現有的監(jiān)控設備，NB-IoT用于新建的監(jiān)測站，尤其是野外監(jiān)測站，5G用于新建視頻監(jiān)測站或移動視頻監(jiān)測等。

3.1.2 數據存貯及計算方面

由現在的環(huán)保管理部門的中心機房存貯+中心機房計算模式，轉為分布式云存貯+云計算，從而實現：移動監(jiān)測和監(jiān)管、云辦公及移動辦公、低成本跨部門聯(lián)合執(zhí)法及應急指揮作戰(zhàn)布署、廣泛及時的信息發(fā)布、公眾參與監(jiān)督等。

3.2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)按各部份所承擔的功能劃分為現場感知層、通訊傳輸層、應用服務層、用戶層：

現場感知層：由各種傳感器、數據采集分析儀器、通信傳輸裝置、控制執(zhí)行組件等組成，用以采集、記錄監(jiān)測數據和狀態(tài)、分析結果、現場動態(tài)視頻等信息，以及執(zhí)行遠程控制指令操作。監(jiān)測數據按要求的數據格式實時上傳至服務器進行集中存貯。

通信傳輸層：由光纖有線網絡、3G/4G NB-IoT及5G無線網絡等組成，承擔數據傳輸，根據不同數據類型轉發(fā)給相應的程序進行處理，并將下行控制數據傳給監(jiān)測站執(zhí)行操作。

應用服務層：部署于云端，包括數據中心及計算中心，向用戶層提供數據匯總、統(tǒng)計、查詢、計算、展示、第三方應用等服務及接口。

用戶層：可以通過手機APP、微信公眾號或小程序、瀏覽器等查詢、調取、展示監(jiān)測數據和結果，及向監(jiān)測站發(fā)送控制指令執(zhí)行指定操作等。

3.3 感知層設計

以在線監(jiān)測分析儀器為核心，由微處理器、各種采樣儀器、預處理單元、傳感器、分析儀器、通信模塊、攝頭機、其它控制儀器等組成。

3.4 數據存貯及計算中心設計

隨著環(huán)境監(jiān)測規(guī)模的擴展，監(jiān)測數據大幅度迅速增長，需要海量的存儲空間。傳統(tǒng)模式中用戶自建網絡機房、存貯系統(tǒng)和服務器集群，費用高、容災能力弱、運維成本高、管理難。為降低系統(tǒng)建設成本和運維成本，適應新形勢下環(huán)保管理、提高容災能力，數據存貯及計算中心考慮租用云計算運營商的設施設備。

3.5 監(jiān)控中心系統(tǒng)設計

監(jiān)控中心實現對所有監(jiān)測站的設備巡查、監(jiān)測數據展示、運行參數設定管理等。為適應環(huán)境應急指揮作戰(zhàn)調度需要，應具有視頻會議功能。為了實現更好的展示效果，監(jiān)控中心的電視墻將采用超細間距全彩高清LED顯示屏，實現無拼接縫顯示，畫面可根據需要任意分割。

4 應用設計

（1）污染物排放監(jiān)管：監(jiān)控系統(tǒng)軟件通過對監(jiān)測數據進行存儲、匯總、處理、計算、分析，得到污染物排放及環(huán)境質量數據，實現對排污單位的污染物排放監(jiān)管。

（2）污染預警預報：通過對監(jiān)測數據進行計算、分析，可以得到環(huán)境質量的總體水平及發(fā)展趨勢，可對環(huán)境污染進行預警預報，為政府的科學管理決策提供可靠依據。

（3）聯(lián)合應急指揮作戰(zhàn)：發(fā)生重大污染事故時，聯(lián)合作戰(zhàn)單位通過云技術快速接入共享信息，實現跨部門聯(lián)合指揮作戰(zhàn)。

（4）移動監(jiān)測監(jiān)管：對特殊監(jiān)測環(huán)境，可以派遣檢測機器人或監(jiān)測無人機進行移動監(jiān)測，并通過智能手機、平板電腦等移動終端隨時隨地監(jiān)控污染源情況。

（5）污染成因分析與研究：利用無處不在的監(jiān)測站所采集到的海量污染排放和環(huán)境信息數據，通過大數據挖掘對某些污染的成因進行研究與分析，對科學環(huán)境治理提供依據。

（6）地理信息服務：利用GIS系統(tǒng)將不同類型的環(huán)境信息、監(jiān)測數據、設備運行情況、報警信息等直觀地在操作終端界面上顯示，方便監(jiān)控管理。

（7）短信服務：當污染物排放超標時，系統(tǒng)將給相關監(jiān)管人員發(fā)送相關信息，以便及時采取處理措施，杜絕超標排放的發(fā)生。

（8）公眾信息共享：向媒體和公眾發(fā)布環(huán)境數據信息，實現公眾對環(huán)境管理的監(jiān)督和參與。

（9）數據交換接口：為了實現跨行業(yè)跨部門的信息共享與數據交換，為政府的科學管理決策和社會公眾提供準確的環(huán)境信息，系統(tǒng)提供面向消息中間件的數據接口。

5 結束語

物聯(lián)網技術在環(huán)境監(jiān)測中具有廣闊的發(fā)展和應用潛力，NB-IoT技術的應用及5G高速寬帶網絡，必將環(huán)境監(jiān)測引向更智能化的發(fā)展方向。