基于NB-IoT的實時被動式井蓋監(jiān)測系統(tǒng)

吳 堅，駱江波

(浙江科技學院 機械與汽車工程學院，杭州 310023)

隨著中國城市建設的發(fā)展，城市基礎設施建設事業(yè)也得到了持續(xù)快速的發(fā)展。城市中給水、排水、燃氣、熱力、電力和通信等各類市政公用設施日益增加，城市路面的各類管線設施的井蓋也相應地不斷增多[1]。全國特大型城市各類井蓋總數(shù)量均在100萬個以上，大型城市在80萬個以上，中型城市在50萬個以上[2]。近年來，由于城市中井蓋管理不善，造成全國范圍內(nèi)各類傷人、損車事件頻發(fā)，嚴重影響了市民的出行安全，造成不良的社會影響[3]。

針對以上問題，國內(nèi)外一些高校和研究機構都進行了相應的研究并提出了解決方案，以對井蓋實施有效管理。有研究者提出用傳感器檢測井蓋的破裂[4]、位移[5-6]、傾角[7]、光照強度[8]，并將監(jiān)測結果通過ZigBee無線網(wǎng)匯總至GPRS網(wǎng)關[9-10]，然后上傳至服務器[11-12]。也有研究者提出，將監(jiān)測到的物理量通過433 Mbit無線網(wǎng)匯總至GPRS網(wǎng)關，再上傳至服務器[13]。這些解決方案都能夠遠程監(jiān)測井蓋狀態(tài)，但是大都以自組網(wǎng)加GPRS網(wǎng)關的兩跳方式進行數(shù)據(jù)傳輸，其網(wǎng)絡部署需要考慮較多因素，后期網(wǎng)絡需要持續(xù)維護，傳輸距離較長時需要使用路由中繼。

為了避免以上方案存在的問題，筆者提出將窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrowband internet of things,NB -IoT)技術應用于實時被動式井蓋監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))。同時采用被動觸發(fā)和休眠相結合的設計，以降低檢測終端功耗，加長檢測終端使用年限。

1 NB -IoT技術

NB -IoT是一種符合3GPP標準的新型無線接入技術，能為物聯(lián)網(wǎng)提供廣域覆蓋。NB -IoT使用License頻段，在上行和下行傳輸數(shù)據(jù)時，最小只消耗180 kHz的系統(tǒng)帶寬[14]，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡、UMTS 網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)網(wǎng)絡平滑升級[15]。NB -IoT具有以下特點。

1)深度覆蓋。在相同的頻段下，NB -IoT網(wǎng)絡比3G、4G等現(xiàn)有網(wǎng)絡信號強度增益20 dB左右，覆蓋面積擴大100倍。這使得在地下車庫、地下室、地下管道等手機信號難以到達的地方，NB -IoT信號也可以覆蓋。

2)海量連接。NB -IoT的一個扇區(qū)能夠支持多達10萬個連接，城區(qū)每平方千米可接入終端30萬個[16]。

3)傳輸速率和功耗低。NB -IoT射頻帶寬為180 kHz，上行下行峰值速率不大于250 Kbit/s[17]，聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應用，因此NB -IoT設備功耗可以做到非常小。

4)穩(wěn)定可靠。NB -IoT使用全球授權頻段，傳輸網(wǎng)絡由運營商現(xiàn)網(wǎng)升級而來，安全可靠。

5)終端部署優(yōu)勢明顯。NB -IoT終端所采集的數(shù)據(jù)可直接通過基站上傳云端，相比于Zigbee、Lora、藍牙等無線傳輸技術，省去了組網(wǎng)步驟和網(wǎng)關，使得終端部署更加靈活，垂直應用更加方便。

6)成本低。相比于其他無線技術，NB -IoT技術低功耗低速率的特性使其芯片需要更小的緩存、更低的RF設計要求、更小的體積，這些技術指標的降低決定了NB -IoT芯片成本能夠更低[18]。

NB -IoT技術主要面向低成本、低功耗、低速率和廣覆蓋的應用場景[7]，如遠程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)、智慧物流、市政管理、智能電網(wǎng)和智能樓宇等。

2 系統(tǒng)設計

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 System structure

系統(tǒng)結構如圖1所示，它由包含電子器件的井蓋檢測終端、NB通信基站、核心網(wǎng)、服務器和用戶組成。檢測終端通過NB -IoT模組與附近基站通信，數(shù)據(jù)經(jīng)由核心網(wǎng)傳輸至服務器，運行在服務器上的應用程序將數(shù)據(jù)處理后產(chǎn)生報表和報警信息，發(fā)送至維修人員的移動終端，管理人員也可以在管理平臺上查看所有井蓋的狀態(tài)。井蓋檢測終端處理器平時處于休眠狀態(tài)，傳感器和通信模組處于掉電狀態(tài)，以達到省電的目的。處理器以6 h的周期自動喚醒，給傳感器和通信模組上電，采集井蓋姿態(tài)、自身的電量，然后將數(shù)據(jù)與井蓋編號等固定信息融合后上傳給服務器。在通信時，服務器可以發(fā)送指令給終端，修改其喚醒周期。當外界使井蓋發(fā)生傾斜時，檢測終端內(nèi)的傾角開關狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生信號喚醒處理器，處理器被喚醒后，控制電源芯片給三軸加速度傳感器和通信模組供電，讀取井蓋的姿態(tài)。終端將信息發(fā)送至服務器，服務器應用程序產(chǎn)生報警信息，通知相關人員及時檢修。

2.1 硬件設計

圖2 檢測終端硬件組成Fig.2 Composition of detecting terminal hardware

檢測終端硬件組成如圖2所示，由NB -IoT模組、CPU、三軸加速度傳感器、傾角開關、電源控制芯片和電池組成。

NB -IoT通信模組采用華為海思的BC95模塊，該模塊支持NB -IoT通信標準，硬件通信接口為UART,使用AT命令控制，休眠功耗低至5 μA，內(nèi)嵌UDP和CoAP協(xié)議，是目前NB -IoT通信的理想選擇。BC95在使用時有PSM、Idle、Active 3種模式，最大工作電流分別是5 μA、6 mA、300 mA。終端選用18650鋰電池作為電源。電源控制使用雙路供電的設計，采用開關電源芯片TPS62120為CPU和被動觸發(fā)電路供電，用開關電源芯片TPS82150為BC95模組和加速度傳感器供電，平時開關電源芯片TPS82150處于關斷狀態(tài)。當需要采集井蓋姿態(tài)并上報時，CPU控制開關電源芯片打開，給BC95模組和傳感器供電。

CPU采用STM32L053C8T6芯片，該芯片帶有64 KB Flash、8 KB RAM、2 KB EEPROM,12 bit精度的ADC接口和2個串口，并且支持8種低功耗模式。

被動觸發(fā)設計使用了4個單向傾角開關來檢測井蓋在x、y、-x、-y4個方向的傾斜。當井蓋被撬起以后，x、y、-x、-y中1個或2個方向的傾角開關狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生上升沿或者下降沿信號，喚醒CPU，終端開始采集井蓋姿態(tài)并上報。

姿態(tài)采集傳感器采用三軸加速度傳感器ADXL345，三軸加速度傳感器可以檢測重力加速度在芯片x、y、z3個方向的分量，因此可以用來測量井蓋的傾斜角度。傳感器通過四線式SPI接口與CPU進行通信。

2.2 軟件設計

2.2.1 軟件流程

檢測終端的軟件使用前后臺系統(tǒng)，每個任務按順序執(zhí)行，其流程如圖3所示。

圖3 終端軟件流程圖Fig.3 Terminal software flowchart

2.2.2 通信協(xié)議設計

通信協(xié)議是檢測終端與平臺通信時對數(shù)據(jù)包格式的約定，只有按照約定的格式上報和解析，才能正常完成上報和下發(fā)。通信協(xié)議設計如表1～2所示。

表1 上報協(xié)議Table 1 Agreement of updating

表2 下發(fā)協(xié)議Table 2 Agreement of issuing

2.2.3 姿態(tài)解算

圖4 重力加速度分解Fig.4 Decomposition of gravitational acceleration

三軸加速度傳感器可以檢測x、y、z3個軸方向上的加速度，當傳感器靜止處于傾斜狀態(tài)時，其x、y、z軸與重力加速度方向形成的夾角分別為θ、α、β，重力加速度在x、y、z軸方向上的分量分別為gx、gy、gz，而gx、gy、gz可由三軸加速度傳感器測得。通過重力加速度分解(圖4)，可知gy=gcosα，從而α=arccos(gy/g)，同理可得θ=arccos(gx/g)，β=arccos(gz/g)。

2.3 系統(tǒng)容錯策略設計

系統(tǒng)的容錯設計主要考慮外部環(huán)境的不確定性。導致系統(tǒng)不正常工作的因素可能來自傾斜的路面、過往車輛、作業(yè)、元件失效和雷電等。因此，系統(tǒng)容錯策略主要針對以下幾種情況。

2.3.1 安裝誤報

由于終端會被安裝在井蓋背面，所以安裝時會先給終端上電，然后才安裝。為了避免安裝時由于翻轉井蓋導致終端誤報信息，所以軟件上采用注冊機制，終端上電后會向平臺請求注冊，注冊完畢后才開啟被動觸發(fā)功能。

2.3.2 作業(yè)誤報

很多時候需要翻開井蓋進行作業(yè)，為了避免此類情況造成的誤報，在作業(yè)前，需要由平臺下發(fā)指令給終端，使指定的井蓋關閉被動觸發(fā)的功能，待平臺確認作業(yè)完畢后，下發(fā)控制指令使終端開啟被動觸發(fā)功能。

2.3.3 觸發(fā)失效

傾角開關可能因為質量或工藝等原因不能產(chǎn)生觸發(fā)信號，而通過使用三軸加速度傳感器，可以得知井蓋當前姿態(tài)。因此，平臺通過比較井蓋當前姿態(tài)和初始姿態(tài)，得知井蓋是否塌陷傾斜。

2.3.4 抖動誤報

在實際應用中，大部分安裝井蓋的路面傾斜程度都不同。這樣帶來的問題是，當路面傾斜度接近傾角開關的動作角時，微小的抖動便能使傾角開關狀態(tài)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生誤報。為解決此類問題，傾角開關需要選擇合適的靈敏度。井蓋的安裝根據(jù)城市道路檢查井蓋技術規(guī)范，如圖5所示。圖6為井蓋翹起后的示意圖，其中A為井座支承面至頂面的的高度，D為井蓋直徑，ω為井蓋被撬起時的傾角。

圖5 井蓋安裝Fig.5 Installation of manhole cover

圖6 井蓋翹起示意圖Fig.6 Diagram of manhole cover prying up

由圖5～6可知，

ω=arcsin(A/D)。

假設井蓋對路面的容忍傾斜角度為γ，考慮到路面有傾斜，那么傾角開關的動作角ψ至少為:

ψ=ω+γ。

同理，對方形井蓋也應該選擇同樣動作角的傾角開關。

2.3.5 終端損壞

在戶外環(huán)境下，由于高溫、低溫、雷電等因素均可能導致終端不工作，為了讓管理平臺掌握終端是否正常工作，終端需要周期性主動向平臺上報井蓋狀態(tài)。

3 系統(tǒng)測試與分析

使用動作角為10°的傾角開關，電腦運行UDP服務器并做好端口映射，等待檢測終端連接上報。BC95預先配置南向地址和PLMN(公共陸地移動網(wǎng)絡)，使用自動找網(wǎng)方式進行聯(lián)網(wǎng)。將檢測終端靜止放置，待其進入休眠后，慢慢傾斜終端，通過串口打印信息觀察終端是否被喚醒，并記錄終端被喚醒時的傾角。通過串口打印信息記錄終端的喚醒時間點、連上服務器的時間點、上報信息的時間點和下發(fā)數(shù)據(jù)到達終端的時間點，通過UDP服務器記錄數(shù)據(jù)下發(fā)的時間點、上報數(shù)據(jù)到達的時間點。聯(lián)網(wǎng)過程和上報過程如圖7～8所示。

最后整理各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖7 聯(lián)網(wǎng)過程Fig.7 Networking process

圖8 上報過程Fig.8 Updating process

數(shù)據(jù)編號實際喚醒角度/(°)信號強度/dB信噪比/dB從喚醒到連上服務器耗時/s數(shù)據(jù)上報耗時/ms數(shù)據(jù)下發(fā)耗時/ms110-54.425.33376778529-53.325.634752769310-54.324.233764782410-56.724.432798817510-56.722.435795814611-55.522.835779798710-56.425.23479581489-54.923.335771790均值9.875-55.27524.1533.875777.625796.125

從表3中可以得出，測試環(huán)境NB網(wǎng)絡信號強度均值為-55.275 dB，信噪比均值為24.15 dB。8組實驗中，終端被喚醒時的傾角均值為9.875°；終端聯(lián)網(wǎng)過程較慢，平均需要33.875 s；對于24 B的上報數(shù)據(jù)和7 B的下發(fā)數(shù)據(jù)，傳輸用時均值分別為777.625 ms和796.125 ms。

4 結 論

筆者運用NB -IoT技術設計了一種實時被動式井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準確地響應井蓋的傾斜產(chǎn)生報警事件，較穩(wěn)定快速地聯(lián)網(wǎng)和傳輸數(shù)據(jù)至服務器，并通過被動觸發(fā)和終端休眠相結合的設計，解決了NB -IoT在智能井蓋應用中實時要求和省電要求相沖突的難題，從而實現(xiàn)了對井蓋實時監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化。

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