基于NB-IoT的河流预警监测系统设计

王银

摘要：河流是至关重要的生态系统，是社区、农业和交通运输的生命线。然而，它们也带来了重大风险，特别是以洪水和环境退化的形式。为了应对这些挑战，文章介绍了一种基于窄带物联网技术的河流预警与监测系统。系统旨在创新河流监测设备管理，加强安全，保护社区和生态系统。该系统的核心是围绕在河岸和水道沿边部署传感器，各传感器之间配备NB-IoT连接，部署后的传感器将能够持续收集关键环境参数的实时数据，例如水位高度、水质和天气条件。NB-IoT技术具有的几个优势包括低功耗、广泛覆盖和经济高效的数据传输，使其成为在偏远地区进行大规模部署的理想选择，可以满足河流实况不断变化的需求，帮助进行更精准的决策。

关键词：NB-IoT；预警系统；河流管理

中图分类号：TP311      文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）31-0142-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

近年来，随着河流在生态系统、农业和交通运输中发挥愈来愈关键的作用，随之带来的风险也逐渐扩大，如洪水，能对周围环境造成毁灭性的破坏。传统的河流监测系统往往难以提供及时准确的数据，难以有效地预测和应对潜在的威胁。

孟晓路等[1]在早期将3S技术应用到河流管理的程序中，改变了原有的传统数据收集和管理方式；冯广丽等[2]利用GPRS技术将底层传感器的数据通过网络连接发送到部署的主机内，能够进行实时监测管理等基础性工作；李刚等[3]将地图API技术融入信息共享平台，将多部门数据共享至平台；在近期，阮聪等[4]将云平台融入河流监测系统，利用云平台将信息存储问题解决，令工作效率得以提高；庞茗文等[5]利用NB-IoT组网技术，将各底层传感器模块间的通信冗余设计得更合理。相比之下，本系统利用窄带物联网技术与物联网数据展示大屏的力量，彻底改变了河流监测和预警能力。基于窄带物联网的河流预警和监测系统旨在解决河流安全管理的关键问题，这个创新系统的核心是一个智能传感器网络，沿着河岸和水道战略性地部署。各类传感器之间的通信使用NB-IoT进行连接，使它们能够持续收集各种环境参数的实时数据。这些数据包括水位、水质、天气状况等关键信息。

NB-IoT技术的主要优势是节能、覆盖范围广、成本效益高。NB-IoT使传感器能够在一次电池充电的情况下长时间运行，确保不间断的数据收集。它还提供可靠的连接，即使在偏远地区，也能进行大规模部署。此外，它的低带宽要求降低了运营成本，这是稳定可持续监测的关键因素。收集到的数据通过基站传输到系统的云端平台，在云端平台中利用部署好的算法对其进行实时分析和处理，可以快速检测异常、关键条件或潜在威胁，例如水位上升表明洪水即将来临。当发现这些情况时，系统可以自动向相关部门和风险地区的居民发出警报，从而实现迅速和协调的反应，以减轻灾害的影响[6]。

1 系统概述

基于窄带物联网的河流预警和监测系统是一种尖端技术解决方案，旨在改变人们管理和保护河流以及依赖河流的方式。河流对人类生活的各个方面都至关重要，然而，它们也带来了重大风险，如洪水和环境退化。传统的河流监测系统往往难以提供及时和准确的数据，妨碍了有效的风险缓解和应对。基于窄带物联网的河流预警监测系统通过集成NB-IoT技术，提供了一种可扩展、经济高效的河流监测和应对潜在威胁的手段。它体现了技术在保护我们的社区、生态系统和宝贵的自然资源方面的关键作用。该系统将为环境监测和备灾做出重大贡献，最终挽救生命并减少与河流有关的灾害的破坏性影响。

2 系统硬件设计

基于窄带物联网的河流预警监测系统的硬件设计是智能传感器、NB-IoT连接、电源管理、数据处理和报警机制的复杂集成。这种设计使系统能够提供河流状况的实时数据，最终加强河流安全管理，同时保护地区生命安全和生态系统免受潜在灾害的影响。

基于窄带物联网的河流预警监测系统的硬件设计是整套系统的一个关键方面。该系统结合了智能传感器和NB-IoT连接，可提供河流状况的实时数据，从而及时应对洪水和水质问题等潜在威胁。

2.1.1 底层传感器

这种硬件设计的核心在于沿河岸和水道部署智能传感器。这些传感器被设计用来捕捉各种环境参数。例如，水位传感器使用超声波或基于压力的技术来精确测量水深。水质传感器可以监测pH值、浊度、溶解氧和污染物等参数。此外，传感器还可以测量温度、湿度和降雨量等大气条件。这些传感器坚固耐用，能够承受恶劣的室外环境。

2.1.2 NB-IoT模块

每个传感器都配备了NB-IoT通信功能。NB-IoT是此类应用的理想选择，因为它提供低功耗、可扩展的覆盖范围和可靠的数据传输。这些传感器可以与中央监测站进行长距离通信，甚至在基础设施有限的偏远地区也是如此。

2.1.3 电源

为了确保系统持续运行，这些传感器通常由长效电池供电，或者在某些情况下，可以连接到太阳能电池板，以实现可持续能源供应。低功耗对于延长传感器的使用寿命至关重要。

2.1.4 警报机制

当系统检测到潜在威胁时，如水位上升或水质问题，它会自动触发警报。这些警报可以通过各种通信渠道（包括短信、电子邮件或移动应用程序）发送给有关部门和所在地社区。除此之外本系统配备有外置扬声器，可以在第一时间通过扬声器将报警信息传递到外界。

3 系统软件设计

3.1 系统软件设计

基于窄带物联网的河流预警监测系统的软件设计对传感器数据的采集、处理和分析，以及系统各部件之间的及时报警和高效通信起着至关重要的作用。该设计需包含多种功能才能开发出一个完整而有效的河流监测系统。

系统软件包括数据可视化和报表工具。用户可以生成定制的报告，以深入了解河流状况和趋势，图形、图表和地图可以帮助人们更容易地理解数据。基于窄带物联网的河流预警监测系统的系统软件设计结构比较复杂，它包括数据采集、处理、分析、警报、用户界面、安全性、可伸缩性和报告等模块。这种全面的设计确保了系统的有效运行，并能提供及时的信息，有助于河流和周围社区的安全管理[7]。系统软件设计如图1所示。

3.1.1 数据采集和传感器管理功能

软件设计的核心是数据采集层，负责从部署的传感器收集数据。它通过NB-IoT网络与每个传感器交互。传感器管理软件确保所有传感器正常工作并连接到网络，它监测传感器的电池电量、信号强度和运行状态。来自传感器的数据带有时间戳和位置信息标记，以提供所收集数据的上下文。

3.1.2 数据处理与分析

一旦收集到数据，数据就会被发送到数据处理层，在那里进行实时分析。这一层使用算法来检测异常、模式和关键条件。例如，该系统可以根据历史数据和天气预报使用预测分析来预测河流状况。机器学习算法可用于识别水质数据中的趋势，例如污染峰值。

3.1.3 警报生成和通知功能

当系统发现任何异常或重大问题时，将会立即发出警报，并且根据问题的严重程度，为其分配不同权限的警报。警报可以采取多种形式，包括短信、电子邮件、移动应用程序通知，甚至是向有关部门和高风险地区居民发出的自动电话。警报系统的设计要求是高度可靠和冗余，确保警报及时到达接收人。

3.1.4 数据可视化功能

物联网数据可视化功能是本系统的核心功能，是最直观的一种面向对象的数据展示界面，此功能有助于将连接设备生成的复杂且庞大的数据集转化为可操作的界面。这些功能使用户能够根据物联网数据进行分析并做出明智的决策。物联网数据可视化功能在利用物联网生成数据的过程中发挥着关键作用，它们使用户能够做出数据驱动的决策，提高运营效率，增强系统安全性。

4 系统应用與实践

4.1 系统首页（设备群所在地展示地图）

系统首页主要是由一个地图功能展示页组成，图中红色的地点按钮表示当前设备所处位置。通信模块在连接上基站之后，物联网网络层中的物联网平台将会自动获取并打印当前网络的IP地址，MQTT技术将会通过通信模块将IP地址信息传输到物联网平台中的设备属性，本软件系统通过自动调用物联网平台提供的调用设备属性API，在本系统首页以及可视化物联网大屏界面中的地图上都会自动刷新当前绑定的设备的地点位置和设备信息[8]。系统首页如图2所示。

4.2 物联网大屏数据展示界面

阿里云物联网提供了一个全面的系统，用于实现对气象状况的全面监测，其中包括了一个完整的地图系统，用于提供当前的气候变化情况，以及对河流的实时环境监测、天气预报、河流的视觉监控、温湿度变化的可见性以及可供选择的设备列表。如图3所示。

4.3 云计算平台

云计算平台通过整合多种计算，如BP神经网络算法、Apriori计算以及K-means计算，可以有效地检测设备所处的环境，并且可以通过对这些信息的深入研究，发现之间强烈的关联性，从而构建准确的模型，并且可以通过云计算技术来调整参考值，从而实现对云计算平台的有效利用。通过利用IoT感应层收集的信息，能够迅速而准确地对其进行深入的研究，从而为人们提供及时、准确的决策支持。

5 结束语

基于窄带物联网的河流预警监测系统提出了一种利用窄带物联网技术加强河流安全管理的新方法。这个创新的系统解决了对有效的河流监测和早期预警系统的迫切需求，以减轻与洪水和其他自然灾害相关的风险。系统的核心概念是沿着河岸和水道部署传感器网络。这些传感器使用NB-IoT连接，可以将各种环境参数的实时数据传输到集中监测站。NB-IoT的低带宽要求使数据传输具有成本效益，适合大规模部署。监测站处理输入的数据，并采用先进的算法来检测异常或关键情况，例如水位上升表明可能发生洪水。当检测到这种情况时，系统可以触发自动警报，向有关部门和危险地区的居民发出警报，尽可能挽救生命和财产。本文的贡献在于将NB-IoT技术与河流监测相结合，为预警和环境监测提供可靠且具有成本效益的解决方案。这种系统将会有力地改变河流管理和备灾现状，成为保护地区免受自然灾害不利影响的有效工具。

参考文献：

[1] 孟晓路，于向东，马涛，等.关于建设中小河流管理信息系统的构想[J].科技资讯，2011，9（16）：59-60.

[2] 冯广丽，谷春英.基于GPRS的河流水位远程监测预警系统研究[J].计算机测量与控制，2013，21（3）：620-622.

[3] 李刚，张永红，张璞林，等.基于地图API的监测预警信息共享平台的建设与研究[J].甘肃科技，2013，29（11）：16-17.

[4] 阮聪，胡春杰，杨洋，等.基于云平台的德宏州中小河流水雨情监测系统设计与实践[J].电子设计工程，2020，28（15）：70-73，78.

[5] 庞茗文，李振宏.基于窄带物联网技术的太阳能气象站监测系统的设计[J].网络安全技术与应用，2022（6）：102-104.

[6] 穆方驰，唐宗仁.贵州中小河流监测预报系统研究[J].河南科技，2015（17）：31-32.

[7] 柳林，徐嘉.中小河流预警预报软件与关键技术[J].海河水利，2014（1）：60-64.

[8] 罗晶晶，庞茗文，熊思霖，等.基于物联网技术的太阳能森林火情监控系统[J].数字化用户，2022，28（28）：19-21.

【通联编辑：张薇】