王銀

摘要：河流是至關重要的生態(tài)系統(tǒng)，是社區(qū)、農業(yè)和交通運輸?shù)纳€。然而，它們也帶來了重大風險，特別是以洪水和環(huán)境退化的形式。為了應對這些挑戰(zhàn)，文章介紹了一種基于窄帶物聯(lián)網技術的河流預警與監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)旨在創(chuàng)新河流監(jiān)測設備管理，加強安全，保護社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是圍繞在河岸和水道沿邊部署傳感器，各傳感器之間配備NB-IoT連接，部署后的傳感器將能夠持續(xù)收集關鍵環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，例如水位高度、水質和天氣條件。NB-IoT技術具有的幾個優(yōu)勢包括低功耗、廣泛覆蓋和經濟高效的數(shù)據(jù)傳輸，使其成為在偏遠地區(qū)進行大規(guī)模部署的理想選擇，可以滿足河流實況不斷變化的需求，幫助進行更精準的決策。

關鍵詞：NB-IoT；預警系統(tǒng)；河流管理

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0142-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

近年來，隨著河流在生態(tài)系統(tǒng)、農業(yè)和交通運輸中發(fā)揮愈來愈關鍵的作用，隨之帶來的風險也逐漸擴大，如洪水，能對周圍環(huán)境造成毀滅性的破壞。傳統(tǒng)的河流監(jiān)測系統(tǒng)往往難以提供及時準確的數(shù)據(jù)，難以有效地預測和應對潛在的威脅。

孟曉路等[1]在早期將3S技術應用到河流管理的程序中，改變了原有的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和管理方式；馮廣麗等[2]利用GPRS技術將底層傳感器的數(shù)據(jù)通過網絡連接發(fā)送到部署的主機內，能夠進行實時監(jiān)測管理等基礎性工作；李剛等[3]將地圖API技術融入信息共享平臺，將多部門數(shù)據(jù)共享至平臺；在近期，阮聰?shù)萚4]將云平臺融入河流監(jiān)測系統(tǒng)，利用云平臺將信息存儲問題解決，令工作效率得以提高；龐茗文等[5]利用NB-IoT組網技術，將各底層傳感器模塊間的通信冗余設計得更合理。相比之下，本系統(tǒng)利用窄帶物聯(lián)網技術與物聯(lián)網數(shù)據(jù)展示大屏的力量，徹底改變了河流監(jiān)測和預警能力。基于窄帶物聯(lián)網的河流預警和監(jiān)測系統(tǒng)旨在解決河流安全管理的關鍵問題，這個創(chuàng)新系統(tǒng)的核心是一個智能傳感器網絡，沿著河岸和水道戰(zhàn)略性地部署。各類傳感器之間的通信使用NB-IoT進行連接，使它們能夠持續(xù)收集各種環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括水位、水質、天氣狀況等關鍵信息。

NB-IoT技術的主要優(yōu)勢是節(jié)能、覆蓋范圍廣、成本效益高。NB-IoT使傳感器能夠在一次電池充電的情況下長時間運行，確保不間斷的數(shù)據(jù)收集。它還提供可靠的連接，即使在偏遠地區(qū)，也能進行大規(guī)模部署。此外，它的低帶寬要求降低了運營成本，這是穩(wěn)定可持續(xù)監(jiān)測的關鍵因素。收集到的數(shù)據(jù)通過基站傳輸?shù)较到y(tǒng)的云端平臺，在云端平臺中利用部署好的算法對其進行實時分析和處理，可以快速檢測異常、關鍵條件或潛在威脅，例如水位上升表明洪水即將來臨。當發(fā)現(xiàn)這些情況時，系統(tǒng)可以自動向相關部門和風險地區(qū)的居民發(fā)出警報，從而實現(xiàn)迅速和協(xié)調的反應，以減輕災害的影響[6]。

1 系統(tǒng)概述

基于窄帶物聯(lián)網的河流預警和監(jiān)測系統(tǒng)是一種尖端技術解決方案，旨在改變人們管理和保護河流以及依賴河流的方式。河流對人類生活的各個方面都至關重要，然而，它們也帶來了重大風險，如洪水和環(huán)境退化。傳統(tǒng)的河流監(jiān)測系統(tǒng)往往難以提供及時和準確的數(shù)據(jù)，妨礙了有效的風險緩解和應對?；谡瓗锫?lián)網的河流預警監(jiān)測系統(tǒng)通過集成NB-IoT技術，提供了一種可擴展、經濟高效的河流監(jiān)測和應對潛在威脅的手段。它體現(xiàn)了技術在保護我們的社區(qū)、生態(tài)系統(tǒng)和寶貴的自然資源方面的關鍵作用。該系統(tǒng)將為環(huán)境監(jiān)測和備災做出重大貢獻，最終挽救生命并減少與河流有關的災害的破壞性影響。

2 系統(tǒng)硬件設計

基于窄帶物聯(lián)網的河流預警監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計是智能傳感器、NB-IoT連接、電源管理、數(shù)據(jù)處理和報警機制的復雜集成。這種設計使系統(tǒng)能夠提供河流狀況的實時數(shù)據(jù)，最終加強河流安全管理，同時保護地區(qū)生命安全和生態(tài)系統(tǒng)免受潛在災害的影響。

基于窄帶物聯(lián)網的河流預警監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計是整套系統(tǒng)的一個關鍵方面。該系統(tǒng)結合了智能傳感器和NB-IoT連接，可提供河流狀況的實時數(shù)據(jù)，從而及時應對洪水和水質問題等潛在威脅。

2.1.1 底層傳感器

這種硬件設計的核心在于沿河岸和水道部署智能傳感器。這些傳感器被設計用來捕捉各種環(huán)境參數(shù)。例如，水位傳感器使用超聲波或基于壓力的技術來精確測量水深。水質傳感器可以監(jiān)測pH值、濁度、溶解氧和污染物等參數(shù)。此外，傳感器還可以測量溫度、濕度和降雨量等大氣條件。這些傳感器堅固耐用，能夠承受惡劣的室外環(huán)境。

2.1.2 NB-IoT模塊

每個傳感器都配備了NB-IoT通信功能。NB-IoT是此類應用的理想選擇，因為它提供低功耗、可擴展的覆蓋范圍和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。這些傳感器可以與中央監(jiān)測站進行長距離通信，甚至在基礎設施有限的偏遠地區(qū)也是如此。

2.1.3 電源

為了確保系統(tǒng)持續(xù)運行，這些傳感器通常由長效電池供電，或者在某些情況下，可以連接到太陽能電池板，以實現(xiàn)可持續(xù)能源供應。低功耗對于延長傳感器的使用壽命至關重要。

2.1.4 警報機制

當系統(tǒng)檢測到潛在威脅時，如水位上升或水質問題，它會自動觸發(fā)警報。這些警報可以通過各種通信渠道（包括短信、電子郵件或移動應用程序）發(fā)送給有關部門和所在地社區(qū)。除此之外本系統(tǒng)配備有外置揚聲器，可以在第一時間通過揚聲器將報警信息傳遞到外界。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件設計

基于窄帶物聯(lián)網的河流預警監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計對傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，以及系統(tǒng)各部件之間的及時報警和高效通信起著至關重要的作用。該設計需包含多種功能才能開發(fā)出一個完整而有效的河流監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)可視化和報表工具。用戶可以生成定制的報告，以深入了解河流狀況和趨勢，圖形、圖表和地圖可以幫助人們更容易地理解數(shù)據(jù)。基于窄帶物聯(lián)網的河流預警監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設計結構比較復雜，它包括數(shù)據(jù)采集、處理、分析、警報、用戶界面、安全性、可伸縮性和報告等模塊。這種全面的設計確保了系統(tǒng)的有效運行，并能提供及時的信息，有助于河流和周圍社區(qū)的安全管理[7]。系統(tǒng)軟件設計如圖1所示。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集和傳感器管理功能

軟件設計的核心是數(shù)據(jù)采集層，負責從部署的傳感器收集數(shù)據(jù)。它通過NB-IoT網絡與每個傳感器交互。傳感器管理軟件確保所有傳感器正常工作并連接到網絡，它監(jiān)測傳感器的電池電量、信號強度和運行狀態(tài)。來自傳感器的數(shù)據(jù)帶有時間戳和位置信息標記，以提供所收集數(shù)據(jù)的上下文。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

一旦收集到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就會被發(fā)送到數(shù)據(jù)處理層，在那里進行實時分析。這一層使用算法來檢測異常、模式和關鍵條件。例如，該系統(tǒng)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和天氣預報使用預測分析來預測河流狀況。機器學習算法可用于識別水質數(shù)據(jù)中的趨勢，例如污染峰值。

3.1.3 警報生成和通知功能

當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)任何異?；蛑卮髥栴}時，將會立即發(fā)出警報，并且根據(jù)問題的嚴重程度，為其分配不同權限的警報。警報可以采取多種形式，包括短信、電子郵件、移動應用程序通知，甚至是向有關部門和高風險地區(qū)居民發(fā)出的自動電話。警報系統(tǒng)的設計要求是高度可靠和冗余，確保警報及時到達接收人。

3.1.4 數(shù)據(jù)可視化功能

物聯(lián)網數(shù)據(jù)可視化功能是本系統(tǒng)的核心功能，是最直觀的一種面向對象的數(shù)據(jù)展示界面，此功能有助于將連接設備生成的復雜且龐大的數(shù)據(jù)集轉化為可操作的界面。這些功能使用戶能夠根據(jù)物聯(lián)網數(shù)據(jù)進行分析并做出明智的決策。物聯(lián)網數(shù)據(jù)可視化功能在利用物聯(lián)網生成數(shù)據(jù)的過程中發(fā)揮著關鍵作用，它們使用戶能夠做出數(shù)據(jù)驅動的決策，提高運營效率，增強系統(tǒng)安全性。

4 系統(tǒng)應用與實踐

4.1 系統(tǒng)首頁（設備群所在地展示地圖）

系統(tǒng)首頁主要是由一個地圖功能展示頁組成，圖中紅色的地點按鈕表示當前設備所處位置。通信模塊在連接上基站之后，物聯(lián)網網絡層中的物聯(lián)網平臺將會自動獲取并打印當前網絡的IP地址，MQTT技術將會通過通信模塊將IP地址信息傳輸?shù)轿锫?lián)網平臺中的設備屬性，本軟件系統(tǒng)通過自動調用物聯(lián)網平臺提供的調用設備屬性API，在本系統(tǒng)首頁以及可視化物聯(lián)網大屏界面中的地圖上都會自動刷新當前綁定的設備的地點位置和設備信息[8]。系統(tǒng)首頁如圖2所示。

4.2 物聯(lián)網大屏數(shù)據(jù)展示界面

阿里云物聯(lián)網提供了一個全面的系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對氣象狀況的全面監(jiān)測，其中包括了一個完整的地圖系統(tǒng)，用于提供當前的氣候變化情況，以及對河流的實時環(huán)境監(jiān)測、天氣預報、河流的視覺監(jiān)控、溫濕度變化的可見性以及可供選擇的設備列表。如圖3所示。

4.3 云計算平臺

云計算平臺通過整合多種計算，如BP神經網絡算法、Apriori計算以及K-means計算，可以有效地檢測設備所處的環(huán)境，并且可以通過對這些信息的深入研究，發(fā)現(xiàn)之間強烈的關聯(lián)性，從而構建準確的模型，并且可以通過云計算技術來調整參考值，從而實現(xiàn)對云計算平臺的有效利用。通過利用IoT感應層收集的信息，能夠迅速而準確地對其進行深入的研究，從而為人們提供及時、準確的決策支持。

5 結束語

基于窄帶物聯(lián)網的河流預警監(jiān)測系統(tǒng)提出了一種利用窄帶物聯(lián)網技術加強河流安全管理的新方法。這個創(chuàng)新的系統(tǒng)解決了對有效的河流監(jiān)測和早期預警系統(tǒng)的迫切需求，以減輕與洪水和其他自然災害相關的風險。系統(tǒng)的核心概念是沿著河岸和水道部署傳感器網絡。這些傳感器使用NB-IoT連接，可以將各種環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊斜O(jiān)測站。NB-IoT的低帶寬要求使數(shù)據(jù)傳輸具有成本效益，適合大規(guī)模部署。監(jiān)測站處理輸入的數(shù)據(jù)，并采用先進的算法來檢測異?；蜿P鍵情況，例如水位上升表明可能發(fā)生洪水。當檢測到這種情況時，系統(tǒng)可以觸發(fā)自動警報，向有關部門和危險地區(qū)的居民發(fā)出警報，盡可能挽救生命和財產。本文的貢獻在于將NB-IoT技術與河流監(jiān)測相結合，為預警和環(huán)境監(jiān)測提供可靠且具有成本效益的解決方案。這種系統(tǒng)將會有力地改變河流管理和備災現(xiàn)狀，成為保護地區(qū)免受自然災害不利影響的有效工具。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：張薇】