物联网融合通信技术在城市地下空间防灾减灾系统中的应用研究

方案，实现了城市地下空间灾害预警数据的全无线实时传输。该方案网络布设灵活，便于维护，功耗较低，使用周期较长，为城市地下空间防灾减灾系统的数据通信提供新的思路，具有一定的应用价值。

关键词：城市地下空间;防灾减灾;物联网;ZigBee;NB-IoT;实时传输

中图分类号：TP305 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）06-00-02

0 引 言

在城市化进程的推动下，我国城市的人口密度在不断增长，城市建设规模在不断扩大，从而带来了城市地下空间开发和利用的全新模式，不仅城市地下空间的功能越來越多样化，其利用率也有着明显且持续的提高。据统计，近年来我国地下空间开发的强度和速度在世界上首屈一指[1]，如地下商区、地下通道、地下综合管廊、地下交通系统、地下仓储等公共基础设施已成为城市不可缺少的组成部分。城市地下空间在运营管理过程中也存在很多风险，如火灾、空气污染、水灾、震灾及施工事故等，因此必须建立健全城市地下空间的灾害预警防护机制，对风险事件做到及时预警，达到城市地下空间防灾减灾的目的，有效保障人民生命财产的安全。但现阶段我国地下综合管廊、地下仓储、地下通道等人员出入口和通风口较少，内部空间相对复杂，密封的地下空间防灾减灾工作的技术水平较低[2]，主要表现在对环境监测数据的传输能力不足，由于此类地下空间结构较复杂，因此较难实现基于综合布线基础上的数据实时传输;移动通信信号较弱，很难实现基于单一移动信号的数据实时传输。本文针对上述问题提出了一种基于ZigBee技术和窄带物联网技术的融合通信方案，可摆脱移动通信信号和有线网络的限制，具有布设灵活，方便维护，通用性好等优点，大大提高了城市地下空间环境监测数据的传输效率，可有效保障地下空间防灾减灾系统的有效性。

1 数据通信关键技术

物联网技术是地下空间防灾减灾的有效技术手段，其中网络层位于物联网的中间段，承担着广泛互联的职责，能够把感知层获得的信息无误、实时、安全地传送至更高层，是物联网的核心技术。为实现地下空间环境监测数据的全无线传输，兼顾现有移动通信网络的传输距离和信号问题，本文将具有低功耗和自组网能力的ZigBee传输技术与具有低功耗和广传输能力的窄带物联网（NB-IoT）技术相结合，保证城市地下空间防灾减灾系统中传感数据的有效实时传输。

1.1 ZigBee组网传输技术

ZigBee技术是在IEEE802.15.4协议基础上开发的无线组网技术[3]，具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、短时延、高容量、高可靠性、高安全性和双向无线通信等特点。ZigBee网络具有多种网络拓扑结构，通常由协调器、路由器和终端设备组成。该网络最多可容纳65 000个节点。系统采用自组网通信方式，即对于任意一个ZigBee网络模块终端而言，只要它们彼此在网络模块的通信范围内，通过自动寻找就能很快形成一个互联互通的ZigBee网络。

城市地下空间结构复杂、覆盖地域范围广，考虑其范围的扩展性，整体布网难度较大，且部分特殊区域无法实现直接通电，因此需要一种高稳定性、低功耗、高容量的无线通信技术。本文选用ZigBee组网通信技术作为地下空间无移动信号覆盖区域的通信技术，实现地下空间的局域互联，奠定数据传输础。

1.2 NB-IoT技术

NB-IoT[4]是由3GPP定义的基于蜂窝网络的窄带物联网技术，于2016年12月开始商用。该网络通信技术是一种低功耗广域网通信技术，具有广覆盖、低功耗、低成本、大连接等特点，是在运营商已有网络制式的基础上开发的，实现了在广域网范围内的数据无线传输和通信，具有较高的安全性和可靠性。

鉴于城市地下空间防灾减灾系统中传感层获得的环境监测数据需要传送到数据中心进行灾害分析和预警，但通常数据中心并非布设在地下空间内，无法实现直接的数据通信，需要借助特定的网络进行数据传输。故本文在地下空间近地面处移动信号覆盖的区域布设了NB-IoT模块，使其能够与地下空间的ZigBee局域网络进行直接通信，再借助运营商的广域网将数据实时准确地传送至数据中心。

2 城市地下空间防灾减灾系统中的数据通信

2.1 系统总体设计

城市地下空间防灾减灾系统根据物联网架构进行设计，如图1所示，主要分为传感识别层、网络传输层、服务层和应用层。其中传感识别层用于接收地下空间的环境数据，在每一个节点布设温度传感器、湿度传感器、压力传感器、烟雾传感器和水位传感器等，传感器分别与带网络功能的芯片相连，实现对地下空间的温度、湿度、甲烷、氧气、水位等重要环境数据的监测;网络传输层则实现了将环境监测数据从局域网到广域网的传输，借助ZigBee无线传感网技术实现地下空间局域网内的数据通信，再借助NB-IoT技术实现基于广域网的数据通信，最终将数据传送至数据中心;服务层实现对监测数据的分布式存储和分布式处理;应用层则面向终端使用者，接收底层数据，对数据进行加工、分析、判断，生成用于指导实践的方案和策略。

2.2 网络节点设计

城市地下空间防灾减灾系统中的网络通信部分由基于ZigBee技术的无线局域网和基于NB-IoT技术的无线广域网组成，如图2所示。ZigBee网络布设在深度地下空间的无基站信号处，NB-IoT网络布设在有基站信号覆盖区域的近地表处，ZigBee网络的协调器节点通过串口与NB-IoT模块连接，实现数据通信，从而将数据传送至位于INTERNET之上的服务层和应用层。

2.2.1 ZigBee网络构建

城市地下空间防灾减灾系统中的ZigBee网络由终端节点、路由节点和协调节点组成，构成一个复杂的网状拓扑结构[5]。由于ZigBee网络属于近距离传输网络，为保证其有效范围，在地下空间每隔50 m距离处设置一个 ZigBee终端节点，带有ZigBee模块的CC2530芯片作为其主控芯片，并为其分配ZigBee协议和固定IP地址，每隔4个终端节点处的主控芯片连接有温度、湿度、水位、烟雾、压力等传感器，用于定时接收传感器产生的感应数据。在每隔100个终端节点处安装ZigBee路由节点。在有基站信号覆盖的近地表处安装ZigBee协调节点，即ZigBee网络中心节点，该节点主控芯片主要用于接收信号并进行简单的逻辑判定，若存在一个或多个终端节点的传输数据超过预定阈值则认为存在灾害风险，从而与NB-IoT模块建立连接，激活NB-IoT模块，进行网络间的数据通信。城市地下空间防灾减灾系统中的ZigBee网络拓扑如图3所示。

2.2.2 NB-IoT网络互联

城市地下空间防灾减灾系统中的NB-IoT网络采用中国联通发布的窄带物联网技术，依托于包含特定芯片和模组的终端实现，该网络上下行有效带宽可达180 kHz，续航时间约10年[6]。上述ZigBee网络中近地表端的协调节点通过串口与NB-IoT模块相连，如图4所示。本系统在近地表的不同位置设置了2个NB-IoT模块，这两个模块将同时进行数据传输，一个用于传送实时数据，一个用于传送备份数据，保证数据通信的稳定和准确。通常情况下NB-IoT模块处于休眠连接状态，不接受消息传送，但当ZigBee协调节点发现有灾害数据出现后，便激活NB-IoT模块，使其通过中国联通的核心网络将数据传送至数据中心。

3 结 语

本文将现有的物联网局域网通信技术ZigBee和广域网通信技术NB-IoT进行了有机融合，应用在城市地下空间的防灾减灾系统中，实现了灾害预警数据的实时、有效、准确传送，从而真正摆脱了网络综合布线困扰和对电力线路供电的依赖，真正做到了无线数据通信。该方案网络布设灵活，适合于内部结构较复杂、基站信号覆盖不全的地下空间结构，为城市地下空间防灾减灾系统的数据通信提供了新的思路，具有一定的应用价值。

参 考 文 献

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[4]戴国华，余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J].移动通信，2016（7）：31-36.

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