基于NB-IoT技術(shù)的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)

喻旻

（國網(wǎng)江西省電力有限公司鷹潭供電分公司，江西 鷹潭 335000）

0 引言

在城市建設(shè)發(fā)展過程中，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)階段，我國市政公共基礎(chǔ)設(shè)施多數(shù)以地下工程為主，其中包括：給排水、燃氣、熱力、電力和通信等市政設(shè)施的井蓋，井蓋數(shù)量呈現(xiàn)逐步增加態(tài)勢。隨著電力隧道的增多，井蓋管理工作也不斷加劇，由于管理不善造成群眾受傷、車輛受損的事件頻發(fā)，嚴重影響了人們的日常生活，造成不良的社會影響，因此，對井蓋的巡檢工作就成為市政工作者關(guān)注的焦點問題。傳統(tǒng)的人工巡檢不僅工作量大，效率低，無法及時獲取電力井蓋的狀態(tài)信息，而且容易引發(fā)各種安全隱患，在互聯(lián)網(wǎng)時代，以無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主導的智慧城市已經(jīng)成為主流，集數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)代化科學技術(shù)為一體的數(shù)字化監(jiān)控管理系統(tǒng)，為市政服務(wù)提供了更多的便利。因此，本文基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計一種新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)，通過智能化控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、主動警告等功能，為智慧城市的建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 NB-IoT技術(shù)及特征評價

NB-IoT技術(shù)是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，目前，物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)很多，主要分為兩類：一類是Zigbee、WiFi、藍牙、Z-wave等短距離通信技術(shù)；另一類是 LPWAN（low-powerWide-AreaNetwork，低功耗廣域網(wǎng)），即廣域網(wǎng)通信技術(shù)[1-2]。而NB-IoT技術(shù)就是廣域通信中的一種，NB-IoT使用License授權(quán)頻段，可采取獨立部署、保護帶部署和帶內(nèi)部署三種部署方式（如圖1所示），與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，實現(xiàn)低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，NB-IoT技術(shù)旨在實現(xiàn)廣泛的新型物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備和服務(wù)，顯著改善用戶設(shè)備的功耗，具有系統(tǒng)容量大、覆蓋面廣、成本低、功耗小等特點。

圖1 NB-IoT技術(shù)部署圖Fig. 1 NB-IoT technology deployment diagram

1.1 終端簡化

NB-IoT技術(shù)為了降低系統(tǒng)研發(fā)的成本和復(fù)雜程度，其自身具有一系列終端簡化方案，包括簡化協(xié)議棧、簡化基帶處理復(fù)雜度，相對于普通LTE，基帶復(fù)雜度降低10%，射頻降低約65%。

1.2 PSM節(jié)電模式

NB-IoT技術(shù)具有（Power Saving Mode，PSM）節(jié)電模式，在此模式下，終端可以長時間保持休眠狀態(tài)以達到省電的目的，按照周期性TAU為10分鐘計算，設(shè)備每周上傳一次數(shù)據(jù)，兩節(jié)五號電池可以使用6-8年。

1.3 設(shè)計成本低

NB-IoT技術(shù)相比于其他的無線通信技術(shù)具有更低的損耗，因此，對芯片的需求也相對較低，較小的體積、更低的緩存以及較低的RF設(shè)計，在低成本設(shè)計下，NB-IoT技術(shù)仍然具有全球授權(quán)的頻段，確保信息傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，這些都決定了NB-IoT芯片的成本將具有非常明顯的競爭優(yōu)勢。

1.4 應(yīng)用范圍廣

NB-IoT技術(shù)可以滿足低功耗、深覆蓋、大容量、超長待機等要求的低速率業(yè)務(wù)，適合靜態(tài)化、對時延敏感低、非連續(xù)移動、實時傳輸數(shù)據(jù)的場景。在智慧城市中的應(yīng)用非常廣泛，包括遠程抄表技術(shù)、智能井蓋監(jiān)測、地下車庫管理系統(tǒng)、智能停車、智能路燈、智能物流、市政管理等。

2 電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計

基于NB-IoT技術(shù)的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對城市電力井的集中監(jiān)控和管理，主站完成遠程主控命令的下達，同時與其他電力井監(jiān)控設(shè)施、資源管理中心組成管理層，實現(xiàn)城市電力井的資源共享，很好地滿足了智慧城市發(fā)展的需要[3]。此外，該系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，通過數(shù)字化的實時監(jiān)控平臺，確保用戶直觀、方便的觀察電力井蓋的實時狀態(tài)，極大地降低了人工巡檢的工作強度，下文對電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)的架構(gòu)及軟件設(shè)計進行闡述：

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)組成

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由NB-IoT模塊、CPU、三軸加速度傳感器、傾斜角開關(guān)、電源控制芯片以及電池組組成（如圖2所示）。監(jiān)測中心主要是電力井監(jiān)測系統(tǒng)軟件，服務(wù)器硬件設(shè)備，雙核CPU、4G內(nèi)存、500G硬盤、2M寬帶、操作系統(tǒng)Windows SERVER 2010及以上，數(shù)據(jù)庫軟件SQL SEVER 2010。在各個監(jiān)測點部署NB-IoT監(jiān)控DTU，該模塊支持NB-IoT通信標準，使用AT命令控制，防護等級IP68，具有防撬、防水、防腐蝕、防泥沙、絕緣等功能，通過電池供電，安裝和維護簡單。管網(wǎng)檢測裝置主要負責對電力井蓋堵塞現(xiàn)象、井蓋狀態(tài)，井蓋丟失、移位等異常發(fā)生時立即報警、及時提供管網(wǎng)運行預(yù)警信息，為應(yīng)急防汛工作提供決策依據(jù)、為評估低洼、易澇區(qū)域的排水能力提供分析數(shù)據(jù)、追溯管網(wǎng)運行歷史狀況，輔助進行事故分析，一旦井蓋被破壞或者遺失，系統(tǒng)會監(jiān)測到位置信息并發(fā)出警報，現(xiàn)場管理人員則會立刻采取行動，避免造成更嚴重的影響[4]。

圖2 電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 2 Power well cover monitoring alarm system architecture diagram

2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計

基于NB-IoT技術(shù)的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)，采用前臺/后臺終端軟件，每個任務(wù)按照相應(yīng)的程序進行，具體流程如圖3所示。

該系統(tǒng)可以完成遠程控制電力井蓋狀態(tài)，現(xiàn)場經(jīng)指令密碼授權(quán)后自動開、閉井蓋鎖具，系統(tǒng)兼容市電（交流220V）和電蓄電池兩種供電模式可選。基于NB-IoT技術(shù)的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)，給井蓋配裝基于軌跡分析和傾角檢測的井蓋監(jiān)控器，可以實時監(jiān)控井蓋的運動狀態(tài)，由于大多數(shù)井蓋安裝的路面都具有一定程度的傾斜，當路面傾斜角度接近傾斜角開關(guān)時，即便是很小的抖動都會引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生誤報，因此，需要通過容錯設(shè)計，有效地解決外部環(huán)境的不確定性給系統(tǒng)造成的誤判，當井蓋發(fā)生翻轉(zhuǎn)或者是移動后會第一時間啟動報警通知監(jiān)控中心[5-6]?；贜B-IoT技術(shù)的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)的主要功能包括井蓋位置地圖管理、井蓋資產(chǎn)管理、井蓋告警實時監(jiān)控、井蓋故障派單處理，井蓋巡檢記錄等。管理機構(gòu)可通過云端服務(wù)器和APP了解信息和制訂管理策略，組織和安排人力、進行施工登記、區(qū)域管理等。

圖3 井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)軟件業(yè)務(wù)流程Fig. 3 Software business process of well cover monitoring and alarm system

2.3 軟件功能設(shè)計

基于NB-IoT技術(shù)的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)，具有遠程控制自動開閉井蓋鎖具、現(xiàn)場經(jīng)指令密碼授權(quán)后自動開閉井蓋鎖具、停電等緊急狀態(tài)下使用專用工具井蓋內(nèi)部/外部手動開閉井蓋鎖具以及監(jiān)控后臺，通過電子地圖展示井蓋所處位置、狀態(tài)、報警信息（片區(qū)責任人員會同時收到報警信息）等功能?，F(xiàn)場監(jiān)控人員可及時指派維護人員現(xiàn)場處理并快速解決安全隱患。新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)具有強度高、耐腐蝕、易于安裝、方便檢修等特點，能夠在各種環(huán)境下使用；此外，該套系統(tǒng)設(shè)計遵循超低功耗原則，采用NB-IoT通訊模塊，電池供電方式下能夠可靠工作，監(jiān)測終端的處理器閑時將處于休眠狀態(tài)，以6h為一周期進行自動喚醒，以達到省電的目的。該系統(tǒng)還具有C/S客戶端和手機端APP兩種控制模式，實現(xiàn)操作人性化，降低成本。工作人員可實時獲取井蓋狀態(tài)和異常預(yù)警信息，根據(jù)風險預(yù)警提示信息和地理定位，及時進行排查處理[7]。

3 電力井蓋檢測報警系統(tǒng)的應(yīng)用效益

基于NB-IoT技術(shù)的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝，而且可以根據(jù)井蓋規(guī)格進行定制，設(shè)備能耗低，正常工作情況下的定時向后臺發(fā)送狀態(tài)信息、不更換電池的情況下，可以發(fā)送3000余次，普通鋰電池待機工作時間6-8年。隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，智慧城市發(fā)展的腳步也會進一步加快，利用現(xiàn)代化技術(shù)的智能化井蓋管理模式，具有非常廣闊的應(yīng)用空間?；贜B-IoT技術(shù)的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)后期的維護可節(jié)省大量人力、物力，井蓋也更加安全，有力的保障了井下財產(chǎn)安全。先進的軌跡分析算法保證了井蓋狀態(tài)的準確判斷，大型車輛碾壓致井蓋震動時不會誤發(fā)報警，可以有效降低系統(tǒng)誤報率。由于新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)支持藍牙通訊技術(shù)，可以通過可移動終端設(shè)備進行設(shè)防解防和參數(shù)配置，該系統(tǒng)獨有的井下溢水報警功能，能實時監(jiān)控井下水位信息。系統(tǒng)具有豐富的數(shù)據(jù)接口，可實現(xiàn)向上、向下兼容，便于國家電網(wǎng)井蓋監(jiān)控平臺或數(shù)字城管平臺接入，支持NB-IoT低功耗廣域網(wǎng)部署。系統(tǒng)外觀采用密封設(shè)計，具有耐腐蝕、耐磨，耐壓、抗震，防水等特點，可在工作環(huán)境溫度-20℃-60℃下正常工作，具有良好的適用范圍，硬件設(shè)備壽命和穩(wěn)定性得到保障，減少設(shè)備更換和維修周期，顯著提高電力企業(yè)管理的經(jīng)濟效益[8]。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著城市化進程的進一步加快，市政公用設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。市政、電力、通信等部門有大量市政設(shè)備、資產(chǎn)需要管理。其中井蓋成為了不可忽視的一項。大量電力井蓋由于缺乏有效的實時監(jiān)控管理手段，給不法分子提供了可乘之機，移動、偷盜井蓋等違法行為時有發(fā)生，同時，破損、損壞、丟失的井蓋也因無法及時獲知，而得不到及時修復(fù)，這樣不僅影響電能的正常輸送，造成巨大的直接或間接經(jīng)濟損失，而且丟失井蓋的井口也會對道路上的車輛、行人造成極大的危害，對社會安定、安全造成了極大負面影響。為了加強城市道路上各類井蓋的維護管理工作，在智慧城市發(fā)展中，突破傳統(tǒng)思維的束縛，借助物聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)，實現(xiàn)對城市基礎(chǔ)設(shè)施的實時監(jiān)控和管理[9]。因此，本文研究的新型電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)，就是利用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對井蓋實施有效管理，通過電力井蓋監(jiān)測報警系統(tǒng)全面掌握城市電力井蓋的實時狀況，有效識別井蓋異?；蛘呷笔КF(xiàn)象，以快速做出應(yīng)急響應(yīng)，保障廣大人民群眾出行安全。