基于NB-IoT的水环境在线监测关键技术分析

姚明明

(山东科泰环境监测有限公司，山东 临沂 276000)

水污染的原因有很多，工业废物废水、生活污水、农业肥料都会导致地区水污染日益严重。有些地区水资源被污染之后没有得到有效治理，当地居民没有健康的水资源可以使用，而使用污染严重超标的水源会导致众多疾病甚至癌症的发生，因此加强水环境在线监测迫在眉睫，是保护居民健康用水的有效手段。

1 水环境在线监测技术发展情况

1.1 国内水环境监测

我国水环境监测技术的发展历史已经超过60年，目前已经取得一定成效和令人瞩目的技术成果，但是还没有将先进的技术与水环境监测应用进行有效地融合，因此我国水环境监测技术仍然需要进一步发展，才能发挥出更大社会效益。水环境被污染破坏与工业生产关系紧密，18世纪工业革命之后工程数量逐渐增多，环境污染和水污染日益严重。我国受限于时代，环境水资源并没有立刻被污染，这个时期水资源的在线监测技术并没有发展空间。建国之后我国大力发展工业，环境和水资源的污染日益严重，水资源在线监测技术在同一时间起步。改革开放之后，我国人民的生活水平和国民生产水平日益提高，逐渐在世界上取得重要地位，此时开始了对环境和水资源的净化治理，水环境在线监测技术在该时期蓬勃发展。如今我国正在从传统工业化向现代工业化的方向转变，水环境在线监测技术越来越重要，并且开始与物联网、互联网技术相互结合，已经具备实现水环境在线监测的技术基础和应用基础，预计在不久之后，水资源在线监测技术即可在万物互联网络下实现。

1.2 国外水环境监测

国外水环境监测技术发展历史比我国悠久得多，根据国内水环境监测发展情况分析可知，水环境监测技术发展情况与水资源污染情况具有直接关系，而水资源污染是否严重主要看当地国家的工业化发展水平。国外在工业革命之后大力推动工业化进程，英国在19世纪末20世纪初左右工业生产总值最高超过了世界总值一半以上，后来德国、美国工业水平也逐渐升高，一战和二战直接带动美洲、欧洲、澳洲、非洲等国家工业水平的提高。在时代背景下国外水资源监测技术发展需求比较迫切，经过百年的发展，水资源监测在国外已经形成了多个研究体系以及分析模型[1]。美国学者提出利用鲁棒传感器对河流水污染情况进行检测，英国学者在水污染情况监测过程中定义了浊度的概念，其他国家也有学者提出利用卫星图像对区域水体污染情况进行监测。但是受限于互联网发展速度，国内外水环境监测技术并没有拉开太大差距，反而在物联网出现后双方处在同一起跑线上，总体来说目前国内外研究重点都是如何将物联网和互联网应用到水环境在线监测技术中[2]。

2 基于NB-IoT的水环境在线监测关键技术分析

2.1 NB-IoT的应用情况和特点

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）指的是窄带物联网，是万物互联网络的一个重要分支，为蜂窝网络构造、只需要使用180 kHz的带宽即可直接应用到GSM、UMTS、LET网络中，因此该技术应用可以逐渐升级，对水环境在线监测技术研发来说不存在技术发展落后的情况。目前NB-IoT主要应用到设备中，因此设备与电力系统的连接是阻碍NB-IoT覆盖率提升的主要原因。有些研发机构直接采用电池为NB-IoT设备供电，这样即可直接解决NB-IoT设备电力系统的问题，但是目前NB-IoT设备的电池寿命是影响其应用的主要因素，电池领域还需要进一步突破才能提高NB-IoT设备应用的实用性和经济性。

NB-IoT属于物联网和万物互联网络的一种，因此二者所拥有的特点NB-IoT同样拥有，覆盖率高、连接广泛、应用成本低、能耗低、蜂窝架构方便、宽度要求低等特点使其具备大范围推广的基础。目前，智能锁、智能电表、智能监控等领域都在不断推动NB-IoT的应用，水环境在线监测关键技术也不例外[3]。

2.2 在线监测设备

NB-IoT水环境在线监测关键技术的原理与物联网相同，因此离不开对传感器等在线监测设备的应用。如果NB-IoT水环境在线监测技术对传感器的需求没有太大变化，即可直接从市场中采购相关在线监测设备对水质进行浊度监测、pH值监测、水位监测。但是市场在线监测设备不能满足NB-IoT水环境在线监测功能时，则需要结合已有传感器进行改进，使在线监测设备在功能增加的同时不影响其在线监测精度，这样才能实现水资源环境在线监测。除此之外，NB-IoT水环境在线监测关键技术研发实现之后，还应该统一在线监测设备的接口，否则在线监测设备会阻碍NB-IoT水环境在线监测关键技术的推广。

2.3 NB-IoT数据采集

NB-IoT水环境在线监测关键技术在数据采集和传输方面必须保证实时传输，否则在线监测技术并不能得到水环境的即时数据，对水环境保护和治理人员来说不能实现在线实时监控的NB-IoT水环境在线监测系统存在的意义大大降低。因此，NBIoT水环境在线监测系统应该采用芯片采集在线监测设备的底层数据，然后通过监控系统保证芯片能够实时将采集数据传输到监控信息中心，最后保障NB-IoT在线监控设备的功能和电池能够支持长时间工作，这样即可将NB-IoT与水环境在线监测相互结合。

2.4 鲁棒传感器布局

鲁棒传感器布局可以直接影响NB-IoT水环境在线监测系统的效率和准确性，为了尽量降低工作量可以直接按照卫星图像拍摄的区域水域分布图进行仿真测试，将数学建模仿真与卫星系统相结合，利用科技手段模拟鲁棒传感器布局的最佳方案，这样即可让NB-IoT水环境在线监测关键技术从理论走向实践。

2.5 在线监测信息系统

2.5.1 数据采集

NB-IoT水环境在线监测系统的数据采集主要由水质预测模型管理系统来完成，但是为了提高数据采集的精确度，水质预测模型系统需要与地理信息和数据库系统集成，使之同时具备三者的功能。只有这样NB-IoT水环境在线监测系统才可以在数据采集的同时，将位置信息同步到底层数据信息中，然后在数据库中对采集到的数据进行时间和空间等维度的对比分析，最后即可根据分析结果对水环境污染情况进行判断。如果水污染情况逐渐升高，则可以发出自动警报提醒相关人员加强管理，因此数据采集功能也可以与自动警报功能进行集成。

2.5.2 状态监测

NB-IoT水环境在线监测系统的状态监测指的是对水污染的整体情况和局部情况进行检测，但是通过数据进行判断对比的工作量巨大，无法保证水环境监测系统的实用性和有效性。因此状态监测的功能是需要将数据转化为对应的图像，然后根据图像显示情况对水环境污染的情况进行判断。例如，系统可以先对水环境污染的情况设置几个不同层次，然后每个层次设置相对应的污染指标，最后再按照指标层次赋予水环境图像不同颜色，这样才可以让状态监测功能更加科学合理。

2.5.3 状态查询

NB-IoT水环境在线监测系统采用颜色图像判断水环境状态之后，同样可以在此基础上设置检索查询功能，监测人员可以直接在查询框中搜索不同层级的水环境污染区域或者输入某一项水环境污染指标，这样即可直接得到不同的关联信息。状态查询功能有利于实现水环境在线监测系统的可视化和空间化，相比人工自主对比来说，系统状态查询可以更加直观地展示对比信息，因此NB-IoT水环境在线监测系统是未来的发展方向。

2.5.4 事故预警

NB-IoT水环境在线监测系统应该具备事故报警功能，一来事故报警功能可以更加直观地让监测人员感受到水污染严重程度；二来事故报警功能可以为有关部门提供直观的决策支持。当某个区域水环境污染指数超标时，系统会自动发出事故预警，提醒监测人员将相关信息上报。有关部门能够及时对越来越严重的水污染问题进行治理，也能够判断哪些企业正在违法违规排放超标污染物，从而加强对违法企业的惩处，提高其水环境保护意识。

3 结论

综上所述，水环境在线监测系统是目前主要的研究方向，只有通过在线监测系统的监测才能及时发现水污染环境的变化趋势以及潜在的已经发生的水污染问题，这将有利于有关部门制定并采取有效的水污染治理措施。因此，NB-IoT系统可以与水环境在线监测系统进行融合，通过万物互联网实现对各个地区的全覆盖实时监测，并将水污染发生后再治理逐渐转变为通过技术监测手段在水污染发生之初将污染扼杀在摇篮中。