NB-IoT 在大田土壤环境实时监测中的应用＊

姚云霞，彭仁杰，唐 婷

（陇东学院信息工程学院，甘肃 庆阳 745000）

1 NB-IoT 技术提出的背景

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即窄带物联网，也被叫作低功耗广域网，是发端于蜂窝的NB-IoT 的新技术，隶属物联网的关键技术，满足低功耗电子模块部署在广域网的蜂窝数据通信。国际电信联盟（ITU）2020 年7 月召开的ITURWP5D 会议做出重大决议：NB-IoT 和NR 一起正式成为5G 标准。至此，NB-IoT 技术正式有了官方定义，成为构建万物互联智能世界的基石。NB-IoT 正式纳入5G 标准，三大核心支持标准出台就绪，5G 商用加速NB-IoT 划归5G 意味着NBIoT 可在NRin-band 部署，支持接入5G 核心网；同时，NB-IoT3GPP 标准将持续演进，成为5G mMTC场景核心支持标准[1～3]。

工信部官方网站发布《工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知》，要求推动2G/3G 物联网业务迁移转网，建立NB-IoT、4G和5G 协同发展的移动物联网综合生态体系。截至2020 年末，窄带物联网网络普及县级以上城市主城区，重点地区或城市增强建设密度；移动物联网在全国范围内连接数逼近12 亿。

窄带物联网定义了构建物联网专网的技术规范，广泛应用在工业领域、消费领域、农业领域、公共事业应用领域等方面[4,5]。

2 NB-IoT 的国内外应用现状

2019 年11 月，全球NB-IoT 连接数近7000 万；2020 年1 月，全球连接数突破1 亿；2 月，仅中国连接数突破1 亿；如今，全球连接数已增加到1.4 亿。短短1 年时间，NB-IoT 连接数量就实现了翻番，产业呈现爆发式增长。

窄带物联网技术其实施过程达到全球产业链的大范围承认与支持，被管理机构编进全球5G 标准。中国成为NB－IoT 产业链发展最为完善的国家。而在欧洲市场则是德国、挪威和西班牙等国家。在国内，NB-IoT 气表、水表等先发应用不断加速，继去年突破1000 万后，目前又双双突破2000 万；NBIoT 烟感、电动车等应用迅速起量，目前已分别逼近1000 万规模；在先发行业的带动下，越来越多的行业加入NB-IoT 阵营，呈现出共享白电、智慧路灯、智慧停车、智慧农业、智能门锁、智能跟踪、智能水表、智能停车、智能路灯、智能煤气管网系统、智能监控、智能环保等一大批百万级的应用，并且由点及面，向全国规模推广[6-9]。

在海外，NB-IoT 也全面加速发展。据GSMA 统计，截至2020 年9 月，海外蜂窝LPWA 连接数超过4000 万，比去年同期增长了148%。海外10 余个国家20 余个大颗粒NB-IoT 项目正在部署、招标或筹备中，例如意大利100 万只NB-IoT 气表项目、比利时自行车、韩国充电桩、泰国路灯等10 万级项目即将部署完成，沙特750 万只和瑞典290 万只NB-IoT电表项目正在部署，新加坡、斯里兰卡等地NB-IoT电表/水表项目正在招标中。

3 NB-IoT 的应用场景

5GmMTC 的核心要求是连接密度达到每平方公里100 万设备连接，NB-IoT 能够提供海量连接，200kHz 的频率可以提供10 万个连接。从技术角度看，NB-IoT 确实满足了ITU 对5G 低功耗、广覆盖的愿景和要求。5G 更广阔的市场是各垂直行业的物联网需求，助力各垂直行业带来数字化转型。NBIoT 从诞生之初就定位于面向物与物的通信，近年来持续服务于大量行业，提升、优化甚至改变了一些行业的生产经营。借助NB-IoT 的应用，智能停车、智能消防、智能水务、智能路灯、共享单车和智能家电等成为深刻影响个人消费市场的典型应用场景。

窄带物联网正在智慧安防、智慧农业、智慧城市、智能交通、智慧医疗、智能家居等领域展示出不可取代的地位，加速众多领域应用的协调发展，需求层面正在持续扩大。查阅5G+物联产业高峰论坛的材料，到2019 年11 月，窄带物联网技术的水、气表都超过1000 万，智慧消防达到400 万，市政设施达到200 万，智慧停车达到100 万。可以清楚看到，窄带物联网技术早已成为实施智慧型城市战略的支撑技术。

智能烟感，能完成报警信息的各方面快捷传达。普通火灾监测设备信号借助消防总线发送，万一监测设备发生紊乱状况，报警信息只可发送到消防总控中心，对可能即将发生的烟气、燃气报警、故障问题，难以立即实时高效快速接收解决报警信息。对此，窄带物联网网络满足大数量连接，传感设备高效监测烟气，只要烟气浓度超过设定阈值，则可以借助窄带物联网技术径直传输信号到达控制中心。此外，窄带物联网信号辐射力强，能够达到建筑物的最外边缘边角。2019 年，中消云物联网研究院许春玉透露，当下熟悉的14 种使用领域的消防设备需要的数量多于40 亿。

智能井盖的实际需求多于千亿。普通的井盖监管主要借助人工巡检，难以实时瞬间得知井盖异常消息，也查询不出负责人员，人工运行维护代价高昂，负责人难以实时监督与联系。而在井盖中内置的窄带物联网技术智慧监测模块，可瞬间快速检查出井盖的位置异常状态、井盖上面的道路积水、井下水位等状态，同时完成相关查询汇总。尚普咨询数据表明，一、二线城市智慧井盖需求大概达到277亿元，全国范围能智慧井盖需求达到1114 亿元。

智慧垃圾桶可以帮助建设智能环卫体系。显然，具备“低功耗，广覆盖”的优点和窄带物联网技术的定位功能，市政管理部门可以科学调节环境工作者的工作繁重和保洁路线。这样改善了环卫管理体系；另一方面还可以定位范围内垃圾收集设备故障状态，实时进行查询安排。同时也能够自动辨别丢弃物，保证丢弃物分类能够快速，同时完成高效监测。中国报告网数据表明46 个关键城市垃圾收集设备实际缺少3.70 亿个，337 个地级市丢弃物收集设备实际缺少4.66 亿个。

4 NB-IoT 应用于土壤环境监测

目前，我国农业物联网应用主要集中在农业科技园区中，主要用于温室大棚等精准设施农业中，在大田生产应用推广方面明显滞后。大田生产物联网在野外大田环境下安装，受到野外环境干扰很多，完成精准检测、调控的技术难点也没有克服。再说，成套的农业物联网产品一次性经费投入高。本项目探索物联网在大田作物生产上的技术应用模式和机制，拟设计出适合黄土塬地貌土质特色的物联网成套检测设备产品[10]。

鉴于大田农业种植分布广、监测点多、电路布线以及充电不方便等因素特征，采用前沿物联网技术，安装部署高精度高分辨率的土壤温湿度传感器，远距离监测土壤温湿度，完成墒情和农药污染等智能预测预报等任务。基于NB-IoT 模组，将传感器数据同步传输到云端服务器或给种植者手机发送警报。设计出大田农业种植测控设备，便于安装、操作。本项目采用的均是低功耗、低成本且精密程度较高的芯片，产品的可操作性强，维护周期长，实现简单，能够广泛应用于农业大田种植。

NB-IoT 模组默认通信方式为AT 指令，工业领域中操作相对复杂。电信ME3616 通过模组内部OpenCPU，利用NB 卡和运营商NB-IoT 网络，通过串口和目标设备相连接，实现了本地串口到用户服务器的透传应用。ME3616 是一个透传模组，可轻松实现串口到网络的双向数据透明传输，解决了工控设备和应用服务器数据交互的问题，开发更简单。还有其他通信模组，如移动M5311 NB 模组、移远BC28 NB 模组。2020 年，移远通信基于海思Boudica 150 芯片开发的NB-IoT 模组出货量继续保持快速增长。截至2020 年第三季度末，基于海思平台的移远NB-IoT 模组累计出货量已经超过4,000 万片[11]。

NB-IoT 具有多连接、低功耗的特点，可同时接入多个传感器，同时采集多样化土壤墒情参数，包括土壤温度、湿度、PH 值、电导率等，实时将采集的信息上报云数据中心。土壤环境实时监测系统总体框架如图1 所示。系统按照物联网分层架构进行设计，包括感知层、传输层、网络层、应用层。该系统以STM32F429 嵌入式芯片为主控制器，感知层通过传感器采集温湿度及重金属含量等环境数据，传输层使用中移物联M5310A 模块将感知层数据输出到云平台，应用层使用手机APP 实时观看监测数据。环境监测系统能够实时准确采集和上传相关环境数据，方便用户远程监测。

图1 土壤环境实时监测系统

5 总结

窄带物联网技术构成物联网的关键组成部分。窄带物联网技术立足蜂窝网络，仅占用差不多180kHz 的频率带宽。窄带物联网技术直接安装于GSM 网络、UMTS 网络或LTE 网络，能够减少安装成本、完成简易更新。虽然窄带物联网技术面临着大好的形势，但其也面临着来自LPWA 技术的挑战。

LPWA 是低功耗广域技术的简称，使用较低功耗实现远距离的无线信号传输。和传统的蜂窝网络技术（2G、3G）相比，LPWA 的功耗更低，电池供电的设备使用寿命可达数年。基于这两个显著特点，LPWA 可以真正实现物物互联，助力和引领物联网（IoT）革命。正因为LPWA 具备与NB－IoT 相同的性能，这也导致NB－IoT 被一定的限制。同时，NB－IoT设备传输速率低，而LTE－M 等新兴技术相比NBIoT 具有更高的传输速率，可以在一定环境中替代NB－IoT。随着CAT M1 和CAT NB1／NB2 的双模式芯片组的开发，将有效提升NB－IoT 对LTE－M 的竞争力。