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

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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