摘 要：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)在大數(shù)據(jù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。針對(duì)寡照地區(qū)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的功耗問(wèn)題，圍繞數(shù)據(jù)格式、通信方式等方面進(jìn)行了技術(shù)革新，通過(guò)采用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡并優(yōu)化配置參數(shù)，建立了專用的數(shù)據(jù)編碼、解碼和通信握手機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，顯著降低了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)維成本，有效提升了寡照地區(qū)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)；NB-IoT；低功耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；APN；JSON；數(shù)據(jù)編碼

中圖分類號(hào)：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）05-00-04

0 引 言

以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等為代表的信息技術(shù)迅猛發(fā)展，引領(lǐng)著新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，逐漸改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行機(jī)制和社會(huì)治理模式。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)作為大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的重要基礎(chǔ)，是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期且連續(xù)開(kāi)展的工作。中國(guó)的寡照地區(qū)主要分布在四川省和貴州省，由于它們獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件，大部分野外數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)需采用太陽(yáng)能供電以及無(wú)線通信的方式。然而，由于這些地區(qū)光照時(shí)間不足，光伏轉(zhuǎn)化效率較低，無(wú)法依靠太陽(yáng)能板持續(xù)為電池充電。因此，降低無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行功耗成為了在寡照地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)了一套基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）的低功耗無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在通過(guò)優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)卡配置參數(shù)，并建立專用的數(shù)據(jù)編碼、解碼和通信握手機(jī)制等技術(shù)手段，降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的功耗，提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性、持久性，降低人工維護(hù)設(shè)備供電系統(tǒng)的頻率與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本。

1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)低功耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由搭載了NB-IoT模塊的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、消息中間件構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)編碼上傳至MQTT消息服務(wù)器，MQTT服務(wù)器將原始數(shù)據(jù)收集并轉(zhuǎn)發(fā)至ECS、RDS等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)收到原始數(shù)據(jù)后根據(jù)制定的數(shù)據(jù)編碼和解碼協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至消息中間件，并建立主題數(shù)據(jù)庫(kù)，為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的研究與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[1]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)

NB-IoT是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（Low Power Wide Area， LPWA）。NB-IoT采用了180 kHz超窄帶系統(tǒng)，設(shè)計(jì)有PSM省電模式和eDRX功能來(lái)降低運(yùn)行功耗[2]。相較于傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT有著高連接密度、超低功耗、網(wǎng)絡(luò)穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，更適合用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用[3-5]。 傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)與NB-IoT的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

1.3 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡的APN設(shè)置

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡支持PSM和eDRX兩種低功耗供電模式，其可以通過(guò)增加終端睡眠時(shí)間達(dá)到降低運(yùn)行功耗的目的。在PSM狀態(tài)下，設(shè)備可以通過(guò)關(guān)閉收發(fā)信機(jī)和接入層的相關(guān)功能，降低信號(hào)收發(fā)、信令處理的功耗。eDRX作為3GPP R13標(biāo)準(zhǔn)中新增的功能，可以通過(guò)核心網(wǎng)與終端之間的協(xié)商配合，使終端更長(zhǎng)時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，并跳過(guò)大部分的尋呼監(jiān)聽(tīng)，以達(dá)到低功耗運(yùn)行目的[6]。

APN決定了用戶終端所采用的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)模式。NB-IoT提供了7套APN模板，每套模板對(duì)應(yīng)著不同的節(jié)電模式與低功耗參數(shù)配置。NB-IoT APN模板的具體參數(shù)見(jiàn)表2。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，終端只有在監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)時(shí)才退出PSM模式，所以在NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡入網(wǎng)時(shí)，需要將APN設(shè)置為CMNBIoT，以達(dá)到最佳的節(jié)電效果[7]。

1.4 基于NB-IoT的數(shù)據(jù)編碼和解碼協(xié)議

NB-IoT采用180 kHz窄帶系統(tǒng)，旨在降低基帶復(fù)雜度，減小工作電流[8]。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備捕獲的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用JSON格式傳輸，但鑒于對(duì)帶寬使用的優(yōu)化需求，專門設(shè)計(jì)了一套適用于NB-IoT的數(shù)據(jù)編碼與解碼協(xié)議。該協(xié)議首先將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，隨后再將其轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制格式進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中[9]。以農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的土壤墑情物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)編碼格式為例，數(shù)據(jù)編碼格式見(jiàn)表3。

圖2所示為土壤墑情物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所監(jiān)測(cè)到的JSON格式原始數(shù)據(jù)。設(shè)備對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮后，得到圖3所示的十六進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)。

圖4所示為編碼前后的數(shù)據(jù)包大小。編碼前原始數(shù)據(jù)為797個(gè)字節(jié)的以JSON格式表示的數(shù)據(jù)包，編碼壓縮后數(shù)據(jù)為112個(gè)字節(jié)的以十六進(jìn)制格式表示的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小僅為原JSON數(shù)據(jù)包大小的14%。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸流程

通過(guò)研發(fā)針對(duì)NB網(wǎng)絡(luò)的專用數(shù)據(jù)編碼與解碼協(xié)議，并結(jié)合NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡的PSM+eDRX低功耗模式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)收發(fā)流程，具體如圖5所示。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在未監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)備將處于PSM模式，當(dāng)設(shè)備監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)暫時(shí)退出PSM模式，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送上行數(shù)據(jù)，并等待接收服務(wù)器響應(yīng)，服務(wù)器接收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。若校驗(yàn)不通過(guò)，則視為垃圾數(shù)據(jù)，不對(duì)此次上行數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)[10]；若校驗(yàn)通過(guò)，則對(duì)該設(shè)備發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。設(shè)備接收到服務(wù)器響應(yīng)數(shù)據(jù)后，將重新進(jìn)入PSM模式。若設(shè)備未接收到服務(wù)器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，將嘗試重新發(fā)送上行數(shù)據(jù)，當(dāng)重發(fā)次數(shù)達(dá)到上限時(shí)，則認(rèn)為服務(wù)器無(wú)響應(yīng)，不再嘗試重發(fā)，將重新進(jìn)入PSM狀態(tài)。

系統(tǒng)接收到正確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，根據(jù)系統(tǒng)制定的數(shù)據(jù)編碼和解碼協(xié)議進(jìn)行處理，將其解析為JSON數(shù)據(jù)，并放至云消息中間件中，同時(shí)保存至主題數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 技術(shù)驗(yàn)證

無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)驗(yàn)證，以農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的土壤墑情物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為例，主要分為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)部署、無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備3部分，具體細(xì)節(jié)如下：

（1）系統(tǒng)開(kāi)發(fā)部分：系統(tǒng)采用Spring Boot后端框架、Maven軟件包管理、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)、Redis數(shù)據(jù)緩存、EXMQ

MQTT消息中間件、Rabbit MQ消息中間件、Vue前端框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

（2）系統(tǒng)部署部分：系統(tǒng)部署于云平臺(tái)，云平臺(tái)由一臺(tái)配置為4核16 GB、5 Mb/s的 ECS和一臺(tái)配置為2核8 GB、5 Mb/s的 ECS 以及一臺(tái)配置為2核4 GB的RDS組成。

（3）無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部分：無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備由容量為24 V、20 A·h的磷酸鐵鋰電池，50 W光伏太陽(yáng)能板，物聯(lián)網(wǎng)DTU，10層墑情傳感器組成。

通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與部署，成功實(shí)現(xiàn)了寡照地區(qū)的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備及系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2 000 h，并成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化展示。數(shù)據(jù)解碼日志如圖6所示，數(shù)據(jù)可視化展示如圖7所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一系列編碼和解碼協(xié)議及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳輸流程，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了NB-IoT入網(wǎng)參數(shù)，搭建了一套完善的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為驗(yàn)證技術(shù)的有效性，本文以農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的土壤墑情物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為例進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了寡照地區(qū)的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，顯著降低了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)維成本，有效提升了寡照地區(qū)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)質(zhì)量，有利于助力大數(shù)據(jù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 董驍，張華，許有軍，等.基于NB-IoT技術(shù)的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的研究[J].福建電腦，2018，34（3）：34-35.

[2] 張超，高有軍，丁海煜. NB-IoT性能淺析[J].移動(dòng)通信，2017，41（21）：47-52.

[3] 王祖陽(yáng)，楊傳祥. NB-IoT主設(shè)備選擇方案及其優(yōu)劣勢(shì)分析[J].移動(dòng)通信，2017，41（21）：58-63.

[4] 李明澤，王彥翔，謝俊偉，等.基于 NB-IoT的多源環(huán)境危險(xiǎn)預(yù)警監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（9）：166-172.

[5] 嚴(yán)玉雙，鄧成中，任洋，等.基于NB-IoT的臥床老人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（17）：95-99.

[6] 何成林，王文超，丁芹，等. NB-IoT模組低功耗研究[J]. 移動(dòng)通信，2018，42（12）：26-31.

[7] 蔣念師.面向行業(yè)APN的窄帶物聯(lián)網(wǎng)端到端質(zhì)量管理機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2020.

[8] 劉克清，周俊，李世光，等. NB-IoT低功耗技術(shù)及功率參數(shù)配置研究[J]. 移動(dòng)通信，2018，42（12）：32-36.

[9] 邱一帆.高壓電纜接地環(huán)流低功耗在線監(jiān)測(cè)裝置的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2022.

[10] 劉源，周家緒，楊燕鎏，等. NB-IoT模組的低功耗控制軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)新通信，2018，20（14）：51-53.