基于NB-IoT技术的航标遥测遥控系统研究

第18卷 第7期 中 国 水 运 Vol.18 No.7 2018年 7月 China Water Transport July 2018

收稿日期：2018-03-10

作者简介：马甲林（1987-），男，山东济南人，上海航标处从事无线电导航管理工作，研究方向为无线电导航。

基于NB-IoT 技术的航标遥测遥控系统研究

马甲林

（上海航标处，上海 201208）

摘 要：NB-IoT 特别适用于定时回报、低功耗、需要海量连接的物联网领域，本文以航标遥测遥控系统为研究对象，介绍了NB-IoT 技术在航标遥测遥控管理中的应用前景。航标遥测遥控系统通过应用NB-IoT 技术能实现平台的统一管理，并且能进一步降低功耗、提高覆盖范围，具有重要的实用价值，本文重点探讨了NB-IoT 在航标遥测遥控领域应用的优势和前景。

关键词：NB-IoT；遥测遥控；应用平台

中图分类号：U644 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）07-0051-02

一、引言

航标是为各类船舶和航海者安全航行服务的助航设施。它通常设置在通航水域或其附近，用以指示通航水域的尺寸、方向、界限和各种水上（水下）障碍，标识通航、锚地或其他专用区域等。常见的航标包括灯塔、灯桩、浮标、灯船等。

通过在航标上安装无线传输模块实现了航标运行数据的采集和传输，可以对航标的经纬度、电流、电压、灯亮灭情况等进行实时监控，实现航标主管部门的远程管理，也为过往船舶提供更准确和更有效的助航服务。

当前行业内的航标遥测遥控系统缺乏统一的管理平台，受限于基站覆盖范围和购置成本。NB-IoT 具有广覆盖、低功耗、低成本、低速率等特点，这些关键属性契合航标遥测遥控系统的特性。因此，本文研究了NB-IoT 技术在航标遥测遥控系统上的应用，重点讨论了该技术在航标管理领域潜在的应用场景和解决方案，具有前瞻性和实用意义。

二、NB-IoT 技术简介

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things），即基于蜂窝的窄带物联网。NB-IoT 适用于低速率、低功耗的应用场景，带宽小，可通过带内部署、保护带部署和独立部署等几种方式部署于现有的电信公共网络（GSM、LTE 等网络）。

NB-IoT 具备四大特点：

（1）低功耗。NB-IoT 简化了信令设计，更专注于低功耗的物联网领域。相关研究显示[1]:采用NB-IoT 技术的终端发射功率会比GPRS 方式降低约90%。航标大都安装在人烟稀少的航道附近、无人值守的岛礁上，巡检维护成本比较大，能源是比较重要的因素；相对于内河水域，海上盐度高、晃动剧烈也对设备提出更高要求，NB-IoT 技术可以在一定程度上改善终端的续航能力。

（2）信号覆盖范围广。NB-IoT 比原来的GPRS 网络增强了20dB 的信号增益，提高了100倍的覆盖能力[1]，大大提高了基站的覆盖范围，特别适用于信号覆盖较弱的地下、室内、林场、水库、远离海岸线的区域。有些航标设置在离

海岸线30多海里的地方，单独建基站是不现实的，而GPRS 网络信号时有时无，都给航标主管部门实时监控航标状况带来了不便，因此，广覆盖的公共网络具有极大的应用前景。

（3）连接能力更高。NB-IoT 支持海量设备连接，连接能力也是衡量NB-IoT 技术优于其他网络的重要指标。

（4）更低成本。与2G、3G、4G 同类产品相比，NB-IoT 模块和芯片具有更低的硬件成本，更具有市场竞争力。

NB-IoT 系统主要包括：

终端层（Device）：该层实现设备（如航标灯、智能水表、智能气表等）参数、环境参数的实时采集。

基站（eNodeB）：NB-IoT 基站主要实现设备接入处理和基站管理等，实现本区域自治，上一层与核心网相连。

核心网（IoT Core）：实现基站和终端交互处理。 云平台（IoT Platform）：云平台获取各种数据，进行数据处理和分析，并根据不同场景和类型转发处理。

应用平台（APP Server）：云平台实现物联网的具体功能，给用户提供直观的应用操作。

当前，NB-IoT 技术在物联网智慧城市、水表电表抄表、森林防火监测、智慧农业、环境监测等领域都有了广泛的应用。例如森林防火监测，前端依靠部署的各种NB-IoT 设备或者视频设备采集林场当前状况进行传输，并综合遥感技术、GIS 技术、定位系统等实现可视化远程监控、区域预警等。

三、基于NB-IoT 技术的航标遥测遥控系统设计 1．航标遥测遥控系统现状

目前，航标遥测遥控终端主要包括以下几种类型：AIS 终端、北斗终端、GPRS 终端等。由于不同种类的航标遥测遥控终端采用的传输链路不同，因此使得数据格式、传输协议都有所不同，目前还存在多家厂商多种管理平台参数设置不兼容的问题，此外，不同航标主管部门也都有各自的应用平台。

AIS 终端采用广播和寻址二进制方式，工作在甚高频AIS 专用频段上，会占用一定的信道资源，定位则依赖于GPS。

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AIS 终端硬件故障较多，而AIS 虚拟航标受基站覆盖范围影响较大，在深远海等信号较弱的地区有一定限制。北斗终端现场采集航标灯器的工作电压、工作电流、位置信息，经过北斗卫星传送给监控中心服务器，北斗信号覆盖范围广，适用于公共网络覆盖不到的区域，既能依靠北斗系统进行定位，又能通过短报文功能进行双向通信，目前，北斗遥测终端应用正在全面普及开来，但是，现在使用北斗遥测遥控终端的成本还比较大，而且由于要与卫星进行通信，功耗较高。GPRS 遥测遥控终端目前终端数量最多，应用灵活方便，需要卫星系统进行定位，并通过公网进行传输，GPRS 遥测遥控终端受限于公网覆盖范围，在没有基站的区域或者信号较弱的区域经常导致无线通信的中断，给主管部门带来很多不便。例如在长江口南槽航道和北槽航道会由于公网信号弱而无法正常接收数据，曾造成该区域采用GPRS 传输的航标信息集体“失联”，后逐渐更换为北斗遥测终端。

遥测遥控系统存在的问题主要有以下几点：（1）无线干扰，在某些区域和地点，不明信号干扰较多，造成数据不准确，例如本单位高电2号航标连续安装几次北斗航标都无法正常工作，后更换不同频率的GPRS 遥测终端恢复正常；（2）基站故障、传输链路故障，GPRS 公网基站、AIS 基站都有故障的可能；（3）设备故障，终端的定位模块、通信模块、供电模块故障，设备老化等都会影响数据正常上报。

2．基于NB-IoT 技术的航标遥测遥控系统

对于数据报文传输周期、数据报文大小、传输时延特性等要求，无论是NB-IoT 物联网应用还是航标遥测遥控系统都具有以下特点：

（1）定时自主上报。

物联网应用中，各种终端设备会按照固定时间进行一次数据报文的定时上传，将设备的运行数

据传输至主管部门。目前，大多数的航标遥测遥控系统每小时会定时上报一次数据，其中，AIS 航标每隔十几分钟就会上传一次数据。这些应用大多对时延不敏感，能耗较少。

（2）异常实时上报。当终端设备的运行参数超过设置的阈值时，终端会立即上传数据，便于主管部门及时进行异常信息的处置。

（3）实时召测。为了实时监控航标状态，也会进行远程召测，需要实时回报的航标收到指令后会立即发送一次报文。

传统的航标遥测遥控终端模块组成如图1所示，航标灯模块主要包括灯器、太阳能板、蓄电池和控制器，遥测遥控依靠外部电源供电，通过数据采集模块采集航标灯的电流、电压和其他运行状态，利用自身的定位模块进行定位，并通过通信模块将经纬度、电流、电压数据传输至航标主管部门。

航标多安装在无人值守的区域，能源和信号强度是比较重要的因素，NB-IoT 具有的低功耗、广覆盖特性是未来航标遥测系统大规模应用的亮点之一。如图2所示，航标的设备层集成和实现了NB-IoT 模组，完成数据的解析和处理，屏蔽接入的差异性；网络层提供了统一管理平台，使用NB-IoT 广覆盖、大连接、网络架构简化等特性，可以满足航标分布离散的特点，降低安装及维护成本；平台层为智能航标应用提供基础的连接管理、数据管理、设备管理能力，并通过开放标准接口使得应用可以灵活快速地部署，以往的航标数据并没有被充分利用，因此，利用NB-IoT 应用平台进行航标大数据挖掘这也将是今后航标管理的一大亮点。

图1 航标遥测遥控终端模块组成

图2 基于NB-IoT 技术的航标遥测遥控系统 目前，航标遥测遥控系统大多要求一小时上传一次数据，但是由于信号覆盖、终端采集等各种问题造成数据的中断，有时一天只有几条或者几天只有一条数据，既增加了维护成本，又在一定程度上影响了航标的实时监控和助航效能，甚至会因为不能及时发现航标漂移造成水上安全事故。采用NB-IoT 技术的航标遥测终端，将极大提高数据稳定性，是航标主管部门下一步应用的重点。

三、总结

NB-IoT 相比于传统的遥测遥控方式具有更广的覆盖范围和更低功耗，再加之统一的管理平台使得NB-IoT 技术在航标遥测遥控方面具有巨大的应用价值，特别适用于远离海岸线的海上航标应用，能填补这一领域的技术应用空白，有效地提高主管部门的监控管理能力，提升航标管理效率，也为航海者、船舶用户提供更好的助航服务。对于航标遥测系统来说，NB-IoT 技术比目前的方式具有更大的优势，而数据安全传输、定制化的应用推广和航标大数据处理将是我们下一步研究的重点。

参考文献

[1] 王明浩.基于智慧城市建设的NB_IoT 应用研究[J].物联网

技术，2017，7（23）：79-82.

[2] 宛如意，李震.基于NB-IoT 的智慧水务建设探讨[J].电

子测试，2017，12：72-73.