将NB-IOT物联网技术应用于基层气象服务的探索

刘金丽，邢开瑜

（1.珠海市斗门区气象局，广东珠海 519125；2.四川省气候中心，四川成都 610072）

天气、气候与人们日常生产生活和城市发展运行的关系越来越密切，气象灾害及其次生、衍生灾害对人民生命财产安全影响也越来越明显，而随着云计算、大数据、人工智能等信息技术的深入推进，气象服务数据、手段、形式、内容与社会发展程度和人们需求不协调的问题越来越突出。但目前的一些研究多集中在服务的宏观架构和政策措施［1]、平台集成［2]、手段和形式［3-4]等方面，对数据本身的研究不多，将物联网与气象服务联系起来的研究也不多［5-6]。为此，本研究以大数据时代的“数据”为切入点，依托最新的物联网技术，探讨如何解决新时代“巧妇难为无米之炊”的气象数据不足及服务问题。

物联网（internet of things，IOT）是将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，可以实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。本研究所用的NB-IOT（narrow band internet of things）［7]是IOT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被称作低功耗广域网。NB-IOT网络是基于现有LTE网络进行改造得来的。LTE网络为“人”服务，为手机服务，为消费互联网服务；而NB-IOT网络为“物”服务，为物联网终端服务，为产业互联网（物联网）服务。NB-IOT使用License频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，与现有网络共存，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IOT数据采集后可直接上传到云端，不需要通过网关，简化了现场部署。特别的，NB-IOT是面向5G的物联技术，它是5G商用的前奏和基础，只有NB-IOT等基础建设完整，5G才有可能真正实现。目前NB-IOT已经正式纳入5G候选技术集合，未来将作为5G时代的重要场景化标准持续演进，也将成为5G时代物联网主流技术。NB-IOT目前在智能水表和燃气表［8-9]、智慧城市建设［10-12]等领域应用较多，但在气象服务上的相关研究和应用不多。

1 NB-IOT技术原理及在气象服务中应用的可行性

NB-IOT是第3代合作伙伴计划（3GPP）R13定义的无线接入技术，构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。相比于4G技术和不久之后的5G技术，NB-IOT连接数量、信号覆盖深度、功耗等方面均有明显优势。NB-IOT具备5大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，比现有的网络增益20 dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑海量连接的能力，其中一个扇区能够支持10万个连接，；三是更低功耗，终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，预期的单个接连模块不超过5 MYM；五是通信费用低，低至5元一年。

NB-IOT技术虽然新兴，但发展潜力巨大。该技术网络由运营商建设，只需对现有基站进行软件升级即可基本实现无盲区覆盖，并且随着国际标准的出台（标准制定有我国企业参与），很容易达到互联互通。《珠海市人民政府办公室关于印发珠海市信息基础设施建设3年行动计划（2018—2020年）的通知》（珠府办函〔2018〕230号）文件指出，在物联网建设方面，珠海在全省率先启动NB-IOT窄带物联网建设，截至2017年底已建成NB-IOT基站超过1 000座；至2019年底，预计NB-IOT基站将累计达3 208座。

当前技术已成熟并可用于气象服务业务。如2018年珠海高新区在下栅社区试点，依托中国移动NB-IOT网络，在广东省内率先规模化部署基于NB-IOT窄带物联网火灾监控管理系统，初步形成了现代社区智慧消防管理模式。目前NB-IOT正在珠海智能抄表、环保监测、交通管理等公共服务领域加快应用。

在数据延时方面，目前3GPP IOT设想允许时延约为10 s，但实际可以支持更低时延，大概6 s左右，NB-IOT的网络时延为6～10 s，当温湿度、风速、雨量等要素变化幅度比较小的情况下，10 s的时延是可以接受的，且现有气象数据传输延时可能远不止10 s。在数据传输速率方面，NB-IOT传输速率理论可达到160～250 kbps；本研究中通信模块只是用于监控传感器的数据，传输数据不多，一次传输不会超过200个字节，不涉及图像和视频传输，可以满足气象服务的要求。NB-IOT在智慧气象服务上的应用可以解决现有自动气象站建设费用高、站址用地解决难、维护成本高的系列问题，破解现有气象监测站网密度不够、气象实况数据不足的难题。

2 NB-IOT气象智能控制系统

2.1 控制系统的设计

气象智能控制系统（图1中圆圈部分）的设计以STM32L051处理器为核心，该芯片休眠电流可达1μA以下，电源控制部分采用太阳能控制板加储蓄电池的方案。NB-IOT通信模块采用移柯通信LYNQ模组L620，该模块进入PSM休眠模式后电流可达4μA以下。传感器选用温湿度传感器、翻斗式雨量传感器、风速传感器。所有的传感器都采用嵌入式传感器，可直接读取温度、相对湿度、雨量、风速数值。处理器与传感器的通信接口都采用485接口。采用ADXL362运动传感器监控设备的震动情况。

图1 气象智能控制系统及NB-IOT物联网应用的结构示意图

智能控制系统最核心部分是采集各种传感器的信息，上传到物联网平台。STM32L051处理器通过485接口向温湿度传感器、翻斗式雨量传感器、风速传感器发送读取命令，然后传感器回传相应的数据，处理器根据相应的数据进行校验，提取出真实的数据值。提取到数据值以后，唤醒NB-IOT通信模块，使其从PSM模式进入工作模式，通过NB网络把温度、相对湿度、雨量、风速数据传送到中国电信物联网平台。为了降低功耗，整个控制系统平时处于休眠状态，定期采样气象数据并上传，定期上报间隔默认为1 h，用户可根据实际情况通过物联网平台下发命令修改定期上报间隔。

为了监控设备的运行状况以便及时维护，智能控制系统会监控储电池的电量、设备的震动情况、信号值、信噪比，确保设备在稳定可靠、信号良好的情况下运行。如果电量过低、震动剧烈、信号不好，设备可以及时地发出告警到物联网平台，用户可根据实际情况及时派人维护。用户也可以根据电量告警情况关闭部分或者全部的传感器，调整传感器的采集间隔和上报间隔，保证设备的最小系统或者部分系统运行。

为了提高对温度、雨量、风速、湿度等要素异常值和极端值的敏感性，及时获取到关键气象要素变化信息，智能控制系统可以设定好各种告警阀值，如当雨量高于告警阀值时，系统产生雨量过高告警并上传到物联网平台。用户可以在物联网平台远程下发配置设备的告警阀值，系统收到告警阀值以后保存到存储器FLASH中，并间隔采样气象数据，对比告警阀值确认是否产生告警。用户也可以按照实际情况通过物联网平台远程下发配置采样气象数据的时间。

考虑到数据的安全性，智能控制系统采用DES（data encryption standard，DES）对称加密，数据在控制系统进行加密，用户从物联网采样到数据以后进行解密，用户可以通过物联网平台远程下发修改密码或根据实际情况决定是否加密。

2.2 在物联网上面添加产品和设备

本研究选用的是中国电信物联网平台，电信物联网平台的结构是：物联网设备-电信的基站-电信的物联网平台服务器-用户的应用服务器（图1）。其中物联网设备通过COAP协议与电信的物联网服务器进行通信，应用服务器使用HTTP接口和电信的物联网服务器进行通信。

企业级的用户需要给中国电信发送邮件，申请注册账号。登陆中国电信物联网，先创建项目，应用ID和应用秘钥很重要，后面的应用服务器要使用这两个参数。项目创建成功后，选择产品开发菜单，创建产品，点击自定义产品，设置产品信息。创建完产品以后，点击新建服务，定义Profile（设备能力描述文件）和编解码插件。在Profile里面添加上传数据、温度告警、相对湿度告警、雨量告警、风速告警、电压告警，下发控制这些服务名称，并给出各种属性字段、命令字段和数据类型等信息。在编解码插件开发里新增上传数据、温度告警、相对湿度告警、雨量告警、风速告警、电压告警、下发控制等消息，在消息中指定是数据上报还是命令下发。给每一个消息添加字段，首先添加messageId字段，用来区别各种不同的消息，然后添加其它字段，并指定数据类型。把消息的字段和Profile里的属性字段和命令字段关联起来，这一步骤很关键。上述操作完成后，点击保存，然后点击部署。部署成功后就可以添加设备了，进入设备管理界面，点击新增真实设备，输入设备名称和输入模块的IMEI号（国际移动设备识别码）。此时，设备就可以实现往中国电信物联网平台发送数据，也可以从中国电信物联网平台下发命令到设备，下发命令一般采用缓存下发的方式，等设备上报数据的时候，设备就会收到命令，特别适合休眠唤醒的设备。点击历史数据可以查看设备上报上传的各种数据信息，进入调试产品可以下发不同的命令给设备。进入订阅调试，添加后台应用服务器网址或者IP地址到订阅里面，这样设备上传数据到中国电信物联网平台的同时，也会把数据推送到后台应用服务器。后台服务器也可以调用中国电信物联网的API（应用程序编程接口）下发命令到设备。

3 气象数据管理

3.1 气象数据质量问题

随着物联网技术的快速发展，各种传感器设备的应用，气象观测数据海量化。可能伴随出现各种数据采集标准不统一，采集方式复杂多样的问题，由此导致的数据质量和可运算分析性值得关注。本研究用到的气象传感器均采用的低功耗且采集原理符合气象标准的设备，获得的气象数据与现有气象数据格式、单位一致，且会经过程序设计进行质量控制。另外，本研究主要想弥补数据密度不足问题，在误差允许范围内，数据质量基本能够得到保证。

3.2 气象数据安全问题

随着物联网产业市场的扩大，物联网安全问题凸显。而很多安全问题来自于不安全的设计，因此本研究将在产品设计之初考虑安全因素，做好数据加解密处理。首先通过电路板上的CPU程序进行软件加密，数据从NB-IOT物联网下发到用户应用服务器时再进行解密处理。加密采用的是DES算法，加解密使用相同的密钥。

4 物联网气象服务应用场景举例

应用服务器获取到关注区的气象监测数据后，首先是对数据进行基本的分析和加工处理，然后可通过手机APP等终端向用户靶向推送天气实况数据和雨量报警等灾害信息。

物联网气象数据具有针对性强的特点，它除了在城市防灾救灾和城市规划项目设计领域有广阔的应用价值外，在农业领域，通过在农业种植地点部署NB-IOT传感器终端，构建智慧农业气象监测、预警和气象灾害防御系统，获取实时气象数据，并将气象信息通过手机APP终端软件传送给农户［13]，可以帮助农民实现农业生产资料科学、有针对性的投放和管理，更好的开展农事生产活动和划定农业种植范围，提升农产品品质。

未来，与气象比较密切的行业，像生态文明建设，物流、医学、交通、旅游以及清洁能源、电力等方面，物联网气象数据也可以发挥很大的作用。

5 结论

本研究分析了NB-IOT物联网技术在现有气象监测站网盲区和防灾减灾需求区中应用前景和可行性，重点阐述了如何构建气象智能控制系统；在中国电信物联网平台上如何添加产品和设备，实现对各种气象数据的监控和告警功能。通过设备直接连接到物联网，再从物联网下发数据到用户端的方式，实现了气象要素单连接传输到用户应用服务器的目的，避免了以往多层面传输的复杂操作，减轻了服务器的压力和降低了对服务器本身的要求。同时，物联网卡费用低廉，年均几十块的通信费用也使得运行成本明显降低。另外，本研究也分析了物联网技术下气象数据质量和气象数据安全问题，并提出了有针对性的解决方案和解释。由于物联网气象数据具有针对性强的特点，最后介绍了物联网气象具体应用场景，尤其是在农业气象服务中应用前景广阔，这为解决气象部门长期以来为农气象服务工作进展缓慢找到了新的切入点。

由于NB-IOT物联网技术还是新兴的发展技术，本研究只是做了比较初步的分析和探索，其在气象服务中的应用仍有很多细节工作要在接下来的项目实施中开展。