基于5G和北斗三代融合感知及通信应用

产品功能及原型设计理念和框架

1.    产品功能

集成5G和北斗三代通信技术，实现应急、水利、环保、城市测报数据。

（1）多通道数据采集

支持地质灾害、水文、工程、摄像头等多行业多源传感器数据采集，同时支持主动感知设备运行状态、运行环境等数据。支持多种物联协议，拥有多样连接能力，能够满足前端多源传感器的接入。

（2）多通信方式灵活组网

支持2G、3G、4G、5G、NB-IOT、LoRa、北斗短报文等方式进行组网通讯。同时支持LoRa和5G灵活组网，通过LoRa收集传感器和边缘站点数据集中通过5G转发。正常使用5G通信、利用5G高带宽、低延时、广连接的多种特性，实现多种测报数据的上传，并为智能测控站打下良好的通信能力。通过北斗第三代的短报文通信协议，可在应急条件下将数据发送到北斗三代卫星，经过卫星转发到北斗地面站，进行数据的接收与转发。短报文与5G等地面移动通信融合，并实现互联互通，在地面移动通信网覆盖不到的地方，发挥短报文覆盖区域广的优势，提供关键的报文通信服务。

（3）融合物联网应用，集成GNSS射频及基带、Wi-Fi射频及基带、NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）射频及基带、LoRa、低功耗CPU核，同时集成了丰富的外设，以满足物联网、消费电子等各类市场的应用需求。

（4）通过北斗三代卫星导航系统RDSS服务能力，实现短报文通信、位置报告、高精度位置解算、历史轨迹查询等功能，具备北斗三代超长文字、图片、语音等传输解决方案能力。满足形变监测、测量测绘、地理信息采集等传统应用领域的需求。

（5）远程控制管理

支持PLC远程控制，支持通过APP、PC端进行远程设备管理，可完成系统设置（更新程序、重启、传感器类型及地址查看等）、基本参数设置（遥测站编码、中心站地址、中心站IP地址等查看）、运行参数设置（定时报时间间隔、传感器状态、加报值等）、实时数据查看（时间、电压、网络类型、传感器数据等）、事件记录（查询运行异常情况等）、定时消息数据、传感器设置等管理。

2.    原型设计理念和框架

随着5G移动互联网时代的到来，5G技术与其他技术或系统的融合，已然成为了一种新的趋势。其中，5G与北斗的融合，将为各行各业提供新的机遇。5G与北斗系统的结合，将充分发挥北斗系统多融（包括网络融合、技术融合、服务融合、终端融合、应用融合等）的天然特性，实现北斗系统在信息领域深度应用。5G+北斗有机融合成为高精度、高可靠、高安全的新一代信息时空体系，实现物联网的可感知、可测量、可计算、可控制，支撑大数据、云计算、人工智能等交叉融合，提供基于高精度定位、高精准时间、高准度导航、高清晰图像的能力，可为智慧城市、智慧制造、智慧农业和智慧家庭等领域提供新的服务。

水利、气象、环保、应急和国土等行业的监测设施网络在不断完善。近一年仅江西全省监测设备建设投入超过2亿元，水利上截至2020年底，江西全省共有各类水文要素监测站点8732处，降水量站4360处，水位站1338处，遍布在江西省全流域范围，且每年需要投入大量的资金去维护和改造。受制于科技发展水平，目前绝大部分测站采用较为落后的传统监测方式，存在通信组网方式有限、数据传输率低、计算能力欠缺、网络信息安全难以保证、运维成本较高等诸多问题。

传统监测设施设备在上述各方面均已不能满足行业智慧化发展要求，本项目的提出，使物联网、5G、北斗三代、AI技术等新兴产业为水利传统的感知监测、通信组网、设备运行维护智能化、远端测控化发展开辟了道路，极大促进了传统产业升级改造。

（1）拓扑图

图 1 拓扑图

（2）系统总体架构图

图 2 系统总体架构图

图 3应急监测框架图

（3）结构设计

图 4 结构图

1）结构组成为：下壳体、电路板、北斗天线、5G天线、上壳体。

2）安装方式：下底板上设置有4根boss柱，PCB板置于其上，通过4个螺丝与下底板紧固连接，北斗天线安装于PCB板上方，通过塑料柱支撑固定。5G天线置于上壳体侧边，上下壳体都设置有密封槽，上壳体密封槽内装有密封圈，上下壳体通过壳体四周的8个自攻螺丝进行紧固连接，所有网口线和其他线都采用航空插头连接，设计防水防尘等级为ip65以上。

3）材质选择：壳体材质为ABS工程塑料，能有效穿透射频信号，有优良的力学性能，其冲击强度极好，耐磨性优良，尺寸稳定性好，电绝缘性较好，热变形温度为90℃，经过处理可达到100℃，固可在-40~100℃的温度范围内使用。样品采用3D打印加工，批量为注塑成型。

创意特色及技术性能（必填，项目的新颖性，产品设计的独特性、创造性；技术深度、复杂度、合理性、先进性以及其在市场中的领先程度等，结合专利、数据等支撑说明材料）

1.基于5G和北斗三代融合技术的通信导航一体化

本项目基于我国北斗三号卫星导航系统RDSS服务能力，实现短报文通信、位置报告、高精度位置解算等能力。可实现（1）5G实时回传多通道监测数据。（2）当灾害发生时，如伴随断路、断电等情况，传统通信手段失效，4G、5G等数据传输中断，应急条件下自动将数据发送到北斗三代卫星，经过卫星转发到北斗地面站，进行数据的接收与转发。发挥短报文覆盖区域广的优势，提供关键的报文通信服务。（3）低功耗应用场景，当设备工作间隙，自动进入低功耗状态，降低设备功耗以及维护频率。

2.基于物联网及LPWAN技术的灵活组网

5G+北斗三代融合物联网技术的灵活组网，支持多种物联网协议，多样连接能力，提高了设备部署的适应性。

当前基于5G和北斗三代智能遥测系统不仅支持有线的传感器连接，还可以支持无线传感器数据的采集，如在设备内部增加LoRa基站模块，在传感器上内置LoRa发送模块，可实现15km范围内的无线数据采集。

3.高精度定位及多传感器融合

新一代高精度定位与智能控制芯片具有丰富的RAM和CPU资源，使得RTK/PPP-RTK算法能直接在芯片运行上，提供厘米级的实时定位精度。在有通信网络时，芯片可以接收基准站播发的卫星差分数据，进行RTK定位解算。在无通信网络时，可以接收卫星播发的卫星精密轨道、卫星钟差修正量等信息，实现PPP-RTK定位解算。

为打造更多元的智能感知水文测站，测站搭载的传感器数量已逐渐增加，造成功耗问题日益严重。SensorHub以1～2%电池能量的超低功耗，协助终端产品实现省电又精准的情境感知功能，满足测站待机时间要求，减少能耗，同时降低维护频率。

由于传感器必须常时开启，使得主处理器必须时时处于运作状态，而不能随意进入休眠模式，长期以往对于主处理器而言将造成庞大的运算负担；因此，有越来越多的终端装置开始导入SensorHub元件，以进一步降低感知系统功耗。低功耗SensorHub技术，汇集尽可能多的传感器到一个超省电协处理器Hub上，让它来控制所有传感器，解放CPU。SensorHub已成为未来终端装置的标准配备，且以微控制器(MCU)为主的SensorHub形式仍占据多数。此技术能把这类任务移离主应用处理器以节省电力并提升效能。

4.部署架构高扩展性

本项目可融合多源传感器实现多通道数据采集，可结合物联网平台实现灵活组网，解决远程数据传输的问题，提高系统适应能力，同时可提供高精度导航定位能力，即可应用于多行业多业务场景进行数据采集、通信及导航定位，系统架构可复制性高，部署灵活性高，扩展性强。

与5G结合性及强相关性及产业联动效应（必填，对5G技术发展的预期影响；应用作品/项目的完整性；产品规模化生产后对产业链的影响）

该设备创新使用5G+北斗三代融合通信的方式，提高监测站点的数据传输效率、系统可靠性、系统安全性，并且达到系统的一体化、智能化和高可用。集成5G和北斗三代RNSS、RDSS能力，具有低时延、高可靠的性能特点。正常使用5G通信、利用5G高带宽、低延时、广连接的多种特性，实现测报数据的稳定上传，并为智能测控打下良好的通信基础能力。

1. 推动智慧行业产业形成及发展

随着本项目的实施，可以提高传统水利行业的产业技术水平和竞争力。利用5G、北斗三代、物联网等技术带动基础感知测站的技术提升，解放传统水利行业数据需求所需大量人力物力财力，发挥先导示范作用，实现以高新技术带动且改造传统产业的目标，抓住提升传统产业竞争力的关键环节。

2. 改变现有业务开展方式，激发深层次需求

带动物联网、5G、北斗和AI技术等新兴技术，及新一代高精度定位与智能控制芯片在传统产业的应用，在传统产业转型的同时也实现了新技术、新产品在陌生领域的从无到有的发展，从小到大的演变。而水利行业监测站点点多面广，覆盖范围大，对技术及产品的应用有很大的推广意义，对传统水利运维模式的改变使相关人员的工作和生活模式发生变化，同时会激发深层次的、潜在的需求，间接影响产业结构变化。

3. 为行业应急监测提供更可靠的保障

本项目在行业的应用，改变现有数据传输方式以及应急策略，提高了行业整体技术水平，保障了各监测站点信息采集、传输的全面和稳定性，为应急监测和决策提供更可靠的保障。

5G与AI、大数据、先进计算、区块链等技术的融合度

当前水文监测使用的测站，大部分都没有数据分析功能，无法处理复杂逻辑。本项目产品集成CortexA7处理器，扩充AI计算能力，可以为行业业务应用扩展提供为前端边缘计算能力和计算平台，具有良好的通用性和扩展能力。如通过AI计算能力和光谱水质分析让测站实现边缘计算能力，能在边缘实现水质分析出结果，能对图像、水位、流量等信息在前端实现计算分析；可做智能摄像头方面的应用，如水体富营养化、悬浮固体的监测、油污染、洪灾水位监测、旱情监测、盗采船只、闸门启闭的确认等方面的监测预警，在遇到异常情况后只需将关键画面帧和结果传回后台，不需要专人时刻关注视频画面；另外，可以配合传感器做智能调度方面的工作，如灌区用水实时调度、闸门泄洪引流控制，调度迅速处理及时；同时可以提供结果预测功能，如堤坝护坡安全的监测、洪峰的预测，协助工作人员及时发现问题，提前做好预防。

项目的价值以及市场需求、分析市场容量和

以江西为例，江西省内五河一湖，构成以鄱阳湖为中心的向心水系，水源汇聚、水网稠密，水利基础建设、信息化建设都相对庞杂，水利监测设备更是点多面广，据不完全统计，截至2020年底，全省共有各类水文要素监测站点8732处，降水量站4360处，水位站1338处，遍布在江西省全流域范围，且每年需要投入大量的资金去维护和改造。气象、环保、应急和国土等行业的监测设施网络也在不断完善。近一年全省监测设备建设投入超过2亿元。从全国来看，截至2017年底，在工程监视与信息采集方面，全国省级以上水利部门各类信息采集点达42万处，全国县级以上水利部门共有视频监视点达到118539个，在水利业务网方面，全部省级、地市级及86.89%县级水利部门实现了联通。在十四五及十五五期间本项目的应用需求预计达到1:1，即水利监测站遥测终端完成1:1替换，市场容量巨大。

（1）本项目的实施对于解决水利业务实际运行问题，为推动智慧水利用数据说话、用数据决策、用数据服务、用数据创新，为推进水利治理体系和治理能力现代化，推动新阶段水利高质量发展提供有力保障。

（2）加快推进智慧水利建设，支撑精准化决策，推动新阶段水利高质量发展。本项目应用5G、北斗三代、AI等新技术，推动构建水利智能业务应用体系，是新阶段水利高质量发展的重要前提，在流域防洪调度、水资源管理与调配等基础上，为水利前端实时监控提供超前、快速、精准的决策支持。

（3）为提高预测预报精准度以及防汛与地灾应急决策提供支撑。汛期洪水突发性强，降雨过程覆盖范围广、局地暴雨强，防范难度大，同时地质灾害频发，基础数据采集及时性、准确性、完整性等严重影响着预测预报及应急决策能力，本项目的实施增加了基础数据采集能力，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，支撑精准化决策，全力保障人民群众生命安全。

商业模式

本项目市场定位为智慧水利重要前段设备。以销售产品、技术服务及后期的运维获取盈利，未来致力于打造产、销、维一体的智慧水利产业，逐步打通上下游产业链。目前5G+北斗三代的遥测终端机市场基本空白，本项目在完成测试后，优先在公司现有项目中进行应用部署，根据客户意见进行迭代优化，逐步进行外部推广应用。项目总投资200万元，预计第一年项目产品达产年度销售额（含税）达到3000万元人民币，随着产品性能提高、成本降低，可迅速打开市场，项目开始后的第三年销售额（含税）达到8000万元人民币。

产品原型、logo等设计图片，产品评估验证的图片、评测报告等

团队介绍及其他

项目团队由上饶师范学院、江西省水投江河信息技术有限公司、南昌大学等单位联合组成的产学研用一体的团队，进行为期6个月的开发。本项目以5G+北斗与AI、物联网、边缘计算等技术结合研发为着力点，围绕着感知层的高精度终端设备的制造技术，开展有序协同、科学高效的研发流程，并在其过程中注重质量管理与人才培养，形成设计-研发-试制-测试-应用的正反馈闭环。