NB—IOT在数字应急广播控制中的应用

刘泽龙

摘要:应急广播系统是公众服务系统中防灾害建设的重要组成部分之一,对增强国家公共服务系统对应急反应的速度、预警信息发布和国家应急广播体系建设有着重要意义。该文利用快速发展的低成本、广覆盖的NB-IOT(Narrow Band Internet of Things),针对县乡村级广播设计了一种应急广播控制方案,能够方便快捷地通过控制指令控制切换现有广播与应急广播的信号源,可在电视广播中插入紧急信息、为公众提供及时有效的突发灾害信息,让人们规避风险。

关键词:IP广播;NB-IOT;应急广播;LPWAN;灾害

中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2018)21-0246-03

1 引言

我国疆域辽阔,灾害繁多,每年各类灾害造成的经济损失远超亿元。当前我国正处于社会经济转型期,各种矛盾突出,使得危害社会安全的事件、人为事故发生的次数呈上升趋势。因此,人民群众对快速、及时、准确地掌握灾害信息的要求日益增大,这也对各级部门关于灾害的反应速度、发布速度以及应急处置和援助情况等相关事宜安排的服务需求和质量越来越高。

应急广播系统作为公众服务系统的建设重心,为了合乎国家对应急广播体系建设的需要和公共紧急状况信息发布的需求,则要发展和完善相应功能,以便承担起各级人民政府在应对自然灾害、公共危机等各种突发事件中的信息发布和传播能力的重担,最大程度地保全人民群众的生命,减少财产损失。

NB-IOT是IOT领域一个新兴的技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。基于NB-IOT技术的应急广播监控系统,能够提供广泛的网络覆盖,通过应急广播系统管控平台,可在电视广播中插入紧急信息、为公众提供公益性信息服务等,保障公众生活安全,提供便利。

通信技术快熟完善的发展,为应急广播体系(如图1所示)的发展创造了良好的环境。应急广播系统可以在公共网络断开的情况下,实现消息播报,为降低公共灾害造成的损失提供一面强有力的屏障。应急广播系统分为消息发出端和消息接收端两部分。发出端将各类消息发往接收终端,而接收端则将信息整合进行预警或日常播报。通过应急广播实现信息发布:

1)日常事务管理及宣传教育;

2)灾前预警信息发布;

3)灾中疏导指挥及搜救指引;

4)灾后安置、维稳工作辅助。

近些年发生的众多自然灾害往往伴随着水电、通信、交通等公众必需的社会资源被损坏,在举步维艰的情况下,广播就发挥了其独一无二的重要作用。一方面,广播保留了其本质属性,在安全时期,为人们的工作生活学习添加了许多便利和无限乐趣。另一方面,当发生我们人力无法抵挡的自然灾害时,应急广播系统便发挥了其应对危机的优势,这一点得到了大众的推崇。应急广播体系的巨大优势,使得各国将其作为重要的公共建设项目,成为应对巨大危害的重要办法之一。

2. 2 系统特点

2.1 应急广播体系的特点

应急广播管控平台对所辖区应急广播系统的统一调度和管理负责,具备应急预警信息发布接入、应急节目制作播发及媒资管理、辖区内应急广播资源管理、应急广播发布流程控制、发布资源调度、值守监看、应急广播信息分发传输、应急机动广播等主要功能。有以下特点:

1)关联性:划分等级,分别管理。根据区域布置,可分为市级、区级、县级、居委会,进行行而有效的据点分布。根据各自所管辖区域的范围大小,设置优先顺序,低级服从高级。

2)时效性:可及时进行语音、视频等多种方式播报,跟踪所辖区域事件进展程度,第一时间传达给公众。

3)保密性:对信息数据打包加密,防止非法分子窃取、恶意修改,扰乱公共安全秩序。

4)便于管理:系统发射端包含众多USB接口,可以同手机接收各种信息,并进行分类管理。

5)稳定性:合理分区管理,防止了各处频率混杂,用户可在终端接收到准确信息。

6)服从性:接收端服从发射端的信息唤醒任务。

2.2 NB-IOT的特点

NB-IOT是IOT领域的一个新兴技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,具有以下优势:

1)海量连接:NB-IOT是2G、3G、4G上行容量的五十到一百倍,也就是说,在同一个基站的前提下,NB-IOT是当前的无线技术提供的接入数的五十到一百倍。

2)超低功耗:这是物联网应用的一项重要指标,该技术的电池寿命长达十年。

3)覆盖范围广:发射功率是GSM的一百倍,就算在野外、高山、深谷等信号不佳的地方也能覆盖到。

4)高安全性:除了4G网络的安全功能,还支持双向鉴权,另外空口严格加密,保证了客户数据不易被盗取。

5)稳定可靠:能提供符合通信行业标准的安全接入,完全支持 IoT 应用和城市信息化的解决方案。

6)低成本:传输速率低使得带宽小、功率消耗小等相应的带来成本降低。

基于NB-IOT的应急广播系统则结合了两者的优点,通过网络覆盖,将广播覆盖区域进行实时监控,便于应对各种紧急情况,也便于指令发布和传达,保证救灾时效性与准确性。

3 系统设计

3.1 系统总体设计

应急广播系统作为预警信息传播网络的重要组成部分,主要由应急广播平台、传输覆盖网、接收终端及监管系统组成(如图2)。

应急广播平台包括县、乡/镇和行政村各级平台及自动接收终端,主要由制作播发环节和调度分发环节组成。在制作播发环节,根据各应急部门的需求,快速完成應急广播的播出和应急消息的制作,并且实时传送到应急广播平台。另外,还要向调度分发环节发出应急广播指令。在调度分发环节中,对应急广播和应急信息进行打包和加密,通过覆盖网络向下级传输。此外,根据应急广播发出的指令,自动生成相应区域资源调度的方案,并且按照这个方案发出调度调控指令,同时也对调度调控指令进行安全加密,发送到应急广播传输覆盖网的平台和接收终端。

传输覆盖网是以移动(联通、电信)通讯网NB-IOT为基础,在传输覆盖部分,各个平台和接收端都会实时接收到应急广播节目、应急信息和调度调控指令,通过验证调度调控指令,再验证与指令相应的广播节目和应急信息,最后将验证通过的节目和信息发送到相应的播出系统,等候播出。此外,应急广播传输覆盖网也包含各平台及接收终端的信息回传网络。

3.2 终端设备设计

部署在符合要求的各广播点,安全接收NB-IOT信息源。接收终端(如图3)是带有NB-IOT控制模块的音频解码模块和功放喇叭(音柱、收扩机),作用是将上级传输过来的广播信号和应急广播信号,还原成音频信号并放大后,通过空间向用户播。

接收终端设计,首先NB-IOT控制模块在广播中,侦听有无应急广播平台发来的本机ID的应急广播控制指令,如果没有,则正常解码输出日常广播,一旦接收到带有本机ID的应急广播控制指令时,则立即将信号源切换到应急广播通道,解码输出应急广播内容。这样设计主要用于对突发灾害区域的局部广播或个别终端(可寻址)进行应急广播,这种有针对性的广播,可以避免群播带来的负面影响。

硬件终端平台是硬件部分的控制大脑,核心为ARM9嵌入式处理器,网络接口、USB接口、音频接口、大存储空间的存储接口、电话接口、收/发模块接口、关系型数据库服务以及应急接口等功能接口作为辅助,组成了有快速运算功能和众多接口的终端平台,如图4所示。

1)电话模块

当系统正常运行时,检查电话功能是否正常。当该部分正常工作时,工作人员可以通过键盘和显示器设置允许的电话号码,然后可人为设置账户和密码。当账户密码验证成功后,则可进入广播界面,进行电话或者文本转为语音广播。电话部分的工作状态好坏可以在有网络连接的情况下在系统中检测,以便及时对该模块进行维护和检修。网络故障时,其他部分的工作状态或者故障状态可以通过电话部分上传到终端,方便检修,保证系统正常运行。

2)收/发部分

工作人员在显示器上键入账号和密码进入工作状态后,通过该部分,一方面可以对所管辖区进行全区域、部分区域或者特定区域进行电话、信息、语音或者视频文件等形式进行广播,另一方面也可接收上级发出的指令,并在有需要时进行转播。该部分的故障检测和工作状态都可在系统中查询,视情况维修。

3)人机交互部分

系统正常工作时,工作人员在显示屏输入账号密码,验证成功后才可以利用系统进行各类信息的广播。通过这种密保设置,可以有效防止其他人对本系统非正常访问,以及系统数据被恶意修改。这种安全机制可以保障设备在正常工作状态下随时处于播放状态,不延误信息发布。

4)备用电池部分

在电力中断时,就需要备用电池发挥作用。通常情况下,备用电池能够持续工作一个小时以上,确保完成应急消息与内容的接收和转发,完全满足应急广播的需求。备用电池的存储电量及工作状态等属性可以通过后台系统功能及时查询,以便及时修缮或更换。

5)应急接口部分

这部分功能与应急广播系统相匹配,通过有线或者无线方式和上级应急广播系统连接,然后经过分组协议进行编码,对各区域分别控制。通过接收上级广播系统发出的消息和内容,对全区域、部分区域或者指定地区进行内容播报。另外,为了保证应急广播系统发布消息的及时性与快速性,嵌入式系统中会设置对于不同优先级的指令和任务进行时间顺序先后的调度和管理,其中对于插入应急接口的播报要求会被设置为最高优先级,保证在多条播报消息和内容的前提下,应急广播优先播出。

3.3 应急广播平台设计

应急广播平台采用B/S构架设计(如图5),可实现分布式办公,可以随时、随地进入系统进行业务操作;升级方便,只需在服务端页面就能轻易扩展功能;维护成本较低,客户端只需安装浏览器就可以实现应急广播业务操作,可以有效地与公安、消防、气象等部门的联动,这些均只要一台可以上网的电脑通过授权登录权限即可以远程控制,对所管辖范围进行广播信息下发。

应急广播平台,是覆盖所辖区域的应急广播系统,县级平台是整个县级区域的核心管控中心,工作内容主要有播放日常节目、管理维护播放设备、特殊情况时接入应急信息、转发国家应急广播系统发布的信息、切换播出紧急语音、控制多信源播放顺序、完成系统配置及安全认证等,既能满足日常广播宣传需要,又能满足应急信息管理和播放的需要,覆盖全面,安全可靠,保障覆盖区域人民工作生活学习的需要以及紧急状况下的灾害预警以及应急处理办法的播报。

公共广播信号或应急广播信号都是以公网IP方式传输到县级播控中心的硬件服务器或云端服务器,由服务器做信号处理和推送。

4 功能实现

当确认灾害发生后,应急广播系统首先向灾害区域发出灾害警报,然后及时进行应急内容广播,再按照连带区域远近顺序播放应急广播;保证在3分钟内完成第一轮该区域的应急内容播报。

应急广播完成一次语音播放的时间应该在十秒到三十秒之间,这样才能避免时间拖延,及时做好躲灾、救灾、抢灾工作,减少伤亡以及个人或者公共财产的损失。另外,应急广播应该和灾害提示警报器分时交替工作,并且循环播放。

应急广播的广播分区和预设广播信息应传送至控制室显示。控制室通过手动选择,或者根据预先设计好的控制指令自动选择广播分区,开启或者暂停应急广播系统。另外,当扬声器进行紧急广播时,自动对播放内容录音。

当现有应急广播系统服务器无法正常播出时,可直接通过音频编码控制器组成的一套纯硬件架构紧急备份系统進行自动接管,实现日常广播、应急广播播发,实现对室外接收终端的开、关机控制、音量等级控制、频率切换等操作。

5 结束语

本应急广播系统是借用“公网IP上传,NB-IOT终端接收”的广播模式,不再需要建设传输与覆盖网络,投资少,见效快。在信息化时代,基于NB-IOT的应急广播控制系统在这一大环境中肯定会具有更好的发展前景。在网络覆盖的前提下,自然灾害或公共危机发生时,能以最快速度通知到各方群众及相关部门,做到突发情况示警,灾害信息说明,指挥相关人员应急处置等。

虽然在无网络覆盖的地区或者自然村落,该系统则无法发挥其最大功效。但该系统带来的巨大便利与安全保障已经足够吸引我们的目光,而且一定会发展的愈发完善,值得期待。

参考文献:

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[7] 张锐.应急广播消息接收软件的设计与实现[D].电子科技大学,2015.

【通联编辑:代影】

《NB—IOT在数字应急广播控制中的应用》转载自《电脑知识与技术》学术期刊,2018年21期 ,作者:刘泽龙。

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