基于NB-IoT技術(shù)的智能井蓋終端解決方案

謝蘭青，尹清松

（中電?？导瘓F(tuán)研究院，浙江 杭州 311121）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，市政公用設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展。市政、電力、通信等部門(mén)有大量市政設(shè)備、資產(chǎn)需要管理，井蓋是其中不可忽視的一項(xiàng)。大量的井蓋由于缺乏有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理手段，給不法分子提供了可乘之機(jī)：損壞、偷盜井蓋等違法行為時(shí)有發(fā)生。丟失、損壞、被盜的井蓋常因無(wú)法及時(shí)獲知而得不到及時(shí)修復(fù)，這樣不僅影響了井下相關(guān)設(shè)備的正常工作，造成直接或間接經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)井蓋所在位置附近人民群眾通行安全造成巨大隱患。

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有一些智能井蓋傳感器模塊，也有一些廠商已經(jīng)跟井蓋廠商合作做系統(tǒng)集成。但現(xiàn)有方案[1][2]大都基于ZigBee、LoRa或傳統(tǒng)2G、3G、4G蜂窩網(wǎng)。前兩者需要通過(guò)自建基站或網(wǎng)關(guān)的方式將傳感器接入到互聯(lián)網(wǎng)中，部署相對(duì)復(fù)雜。而傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸又面臨不適合低功耗場(chǎng)景的問(wèn)題。

無(wú)線通信技術(shù)中，NB-IoT作為新秀，憑借諸多優(yōu)點(diǎn)引起各方高度關(guān)注：國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商大力推進(jìn)NB-IoT基站建設(shè)，終端廠商也相繼推出NB-IoT模組[3][4]。 NB-IoT具備4大特點(diǎn)[5-8]：

（1）廣覆蓋。尤其強(qiáng)化了對(duì)室內(nèi)環(huán)境的覆蓋。在同樣頻段下，NB-IoT相較于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)增益20dB，區(qū)域覆蓋能力提升了100倍。而且由于NBIoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用運(yùn)營(yíng)商基站通信，無(wú)需使用者自行部署網(wǎng)絡(luò)。

（2）海量連接。一個(gè)扇區(qū)可以支持10萬(wàn)個(gè)連接。

（3）低功耗。NB-IoT終端模塊使用電池的待機(jī)時(shí)間可以做到長(zhǎng)達(dá)10年。

（4）低成本。模塊生產(chǎn)企業(yè)的單個(gè)模塊成本預(yù)計(jì)不超過(guò)5美元。

本文設(shè)計(jì)一種使用NB-IoT技術(shù)的井蓋智能監(jiān)測(cè)終端，終端固定安裝在井蓋下方，監(jiān)測(cè)井蓋狀態(tài)，并且支持主動(dòng)報(bào)警功能。終端與云平臺(tái)組合建立井蓋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，可以幫助市政管理部門(mén)高效地監(jiān)測(cè)轄區(qū)內(nèi)井蓋的狀況，在井蓋出現(xiàn)問(wèn)題的第一時(shí)間進(jìn)行維修，最大限度避免發(fā)生意外事故，減少損失。另外，配合APP管理，使日常維護(hù)更為簡(jiǎn)便高效。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)分為3個(gè)主要的組成部分：

（1）井蓋監(jiān)測(cè)終端：該終端安裝在井蓋下方，作用是收集井蓋數(shù)據(jù)后通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器；

（2）服務(wù)端軟件：承擔(dān)接收處理數(shù)據(jù)的任務(wù)，同時(shí)提供其他的平臺(tái)服務(wù)，如B/S架構(gòu)的瀏覽器平臺(tái)訪問(wèn)方式；

圖1 井蓋智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體部署架構(gòu)

圖2 終端模塊硬件組成框圖

（3）手機(jī)APP：結(jié)合GIS地圖為井蓋維護(hù)人員提供界面友好、方便、高效的維護(hù)指引。

井蓋智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體部署架構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件架構(gòu)

該終端設(shè)計(jì)方案的硬件部分僅井蓋傳感模塊單板，主要由MCU、加速度傳感器、NB-IoT模組構(gòu)成。硬件選型的原則為低功耗、低成本。如圖2所示為終端模塊硬件組成框圖。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

圖3 智能終端軟件模塊組成

本應(yīng)用的軟件架構(gòu)和主要模塊如圖3所示。軟件設(shè)計(jì)中詳細(xì)模塊功能如表1所示。

1.4 容錯(cuò)設(shè)計(jì)

考慮到模塊運(yùn)輸和安裝環(huán)境的不確定性較大，如模塊安裝前車輛運(yùn)輸顛簸、井座（路面）本身傾斜以及人為檢修等因素都會(huì)引起井蓋報(bào)警誤觸發(fā)，且井下環(huán)境較為惡劣，模塊需要做防水處理，不利于調(diào)試，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮容錯(cuò)。

采用的容錯(cuò)設(shè)計(jì)是井蓋模塊上板載一個(gè)干簧管，充當(dāng)磁性開(kāi)關(guān)使用，通過(guò)安裝時(shí)再用強(qiáng)力磁鐵激活的方式，可以解決安裝之前運(yùn)輸顛簸誤報(bào)問(wèn)題。同時(shí)，選擇的MCU自帶藍(lán)牙功能，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊與手機(jī)APP互聯(lián)，解決了人為檢修布防解防、路面傾斜校準(zhǔn)等問(wèn)題。

表1 終端軟件各個(gè)模塊組成及功能

2 方案實(shí)際測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

為了驗(yàn)證終端是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在不同的環(huán)境條件下，對(duì)終端模塊進(jìn)行功能性測(cè)試。重點(diǎn)測(cè)試模塊的信號(hào)質(zhì)量和待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，以了解相對(duì)于傳統(tǒng)通信方式的優(yōu)勢(shì)。測(cè)試時(shí)，對(duì)終端模塊進(jìn)行防水密封，并用膠粘固定井蓋底面；測(cè)試使用的井蓋為道路用水泥制和金屬制兩種圓井蓋。測(cè)試方法如下：在測(cè)試場(chǎng)地安裝好設(shè)備模塊；開(kāi)啟模塊，連接藍(lán)牙，配置后開(kāi)始工作；進(jìn)行狀態(tài)同步時(shí)，模塊自行查詢NBIoT模組信號(hào)質(zhì)量，并發(fā)送至云平臺(tái)服務(wù)器；為了提高測(cè)量待機(jī)功耗的效果，修改提升狀態(tài)同步（發(fā)送心跳包）頻率為半小時(shí)一次；再開(kāi)啟服務(wù)器程序，解析接收的數(shù)據(jù)。測(cè)試場(chǎng)景及目的如下：

場(chǎng)景1：道路上水泥制圓井蓋上方；測(cè)試信號(hào)質(zhì)量；

場(chǎng)景2：道路上水泥制圓井蓋下方；測(cè)試信號(hào)質(zhì)量、井蓋移動(dòng)監(jiān)測(cè)和待機(jī)時(shí)長(zhǎng)；

場(chǎng)景3：道路上金屬制圓井蓋上方；測(cè)試信號(hào)質(zhì)量；

場(chǎng)景4：道路上金屬制圓井蓋下方；測(cè)試信號(hào)質(zhì)量、井蓋移動(dòng)監(jiān)測(cè)和待機(jī)時(shí)長(zhǎng)；

場(chǎng)景5：高樓建筑室內(nèi)辦公桌；測(cè)試信號(hào)質(zhì)量。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

如表2所示，為各個(gè)場(chǎng)景下的測(cè)試結(jié)果，綜合分析，可以得出以下結(jié)果：

（1）信號(hào)強(qiáng)度：井蓋上方＞水泥制井蓋下方＞金屬制井蓋下方＞高樓建筑室內(nèi)。

（2）待機(jī)功耗：設(shè)計(jì)要求希望滿足每天傳送一次心跳包可使用3年以上。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定每隔30分鐘RTC喚醒發(fā)送數(shù)據(jù)包，一天發(fā)送48次。在此情況下，仍然能夠達(dá)到30天以上待機(jī)，傳送次數(shù)理論上滿足設(shè)計(jì)需求。

（3）移動(dòng)監(jiān)測(cè)：傾角計(jì)算較為準(zhǔn)確，符合使用要求。

表2 不同測(cè)試場(chǎng)景結(jié)果對(duì)比

由表2可知，對(duì)常見(jiàn)的金屬井蓋而言，由于金屬屏蔽原因井下信號(hào)比較差。信號(hào)差不僅影響連通率和傳輸時(shí)間，對(duì)耗電也有非常大的影響。依據(jù)NB-IoT技術(shù)手冊(cè)，結(jié)合示波器測(cè)量，計(jì)算出在信號(hào)好與差兩種狀況下，狀態(tài)同步時(shí)能耗的差別。由表3可見(jiàn)，能耗差別非常懸殊，對(duì)電池使用時(shí)間造成了巨大的影響。雖然可滿足設(shè)計(jì)要求的3年使用時(shí)間，但與NB-IoT宣稱電池使用10年相比有較大差距，當(dāng)然主要原因在于井下特殊的信號(hào)環(huán)境。

表3 NB-IoT日待機(jī)能耗預(yù)估

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于NB-IoT的井蓋智能監(jiān)測(cè)終端方案，并詳細(xì)描述了終端軟硬件架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)測(cè)試分析，該方案設(shè)計(jì)在樣機(jī)實(shí)際測(cè)試中，其表現(xiàn)（包含連通性、耗電量、監(jiān)測(cè)靈敏度）可以基本滿足設(shè)計(jì)需求。該終端可以實(shí)時(shí)、有效、快速地把井蓋狀態(tài)信息反饋給上層云平臺(tái)，能夠提高市政工作的維護(hù)效率，降低成本，有助于提升城市安全管理水平。在解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的同時(shí)，驗(yàn)證了NB-IoT技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用中的實(shí)用性。筆者認(rèn)為，NB-IoT技術(shù)可以最大限度地解決組網(wǎng)難度與功耗相矛盾的難題。