基于NB-IoT 的閩北高速公路高邊坡智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦金濤，譚鈞文，陳金水

（武夷學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程系，武夷山354300）

0 引言

智慧公路建設(shè)，國內(nèi)各地公路局一項(xiàng)重要建設(shè)內(nèi)容。到現(xiàn)在來說，伴隨著國家交通事業(yè)的快速穩(wěn)定的發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，高速公路已然成為人民出行中比較重要的交通設(shè)施之一。在閩北山區(qū)高速公路的建設(shè)中，因?yàn)槠涞匦蔚孛驳膯栴}，形成了大量邊坡。根據(jù)不同的分類方法，地址體的應(yīng)力狀態(tài)因?yàn)榻涤昊蛘呤┕さ确矫娴挠绊懓l(fā)生改變，會(huì)引發(fā)大量的地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)害突發(fā)性較強(qiáng)，分布范圍廣，對(duì)公路危害較大。為了保障公路的安全，防止當(dāng)邊坡發(fā)生滑坡、崩塌等病害時(shí)，造成路段嚴(yán)重?fù)矶潞拖嚓P(guān)人員的傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失，需要對(duì)高邊坡進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目主要實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用NBIoT 技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的廣覆蓋，從而提高高邊坡安全監(jiān)測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)全天候、無人值守及自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1 總體設(shè)計(jì)

我們研究的這套系統(tǒng)的硬件端主要是通過各類傳感器進(jìn)行NB-IoT 通信[1]。NB-IoT 應(yīng)用架構(gòu)（Application Architecture）整體描述NB-IoT 應(yīng)用開發(fā)所涉及的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)開發(fā)過程所涉及的微控制器（MCU）、NB-IoT 通信、人機(jī)交互系統(tǒng)等層次。

從應(yīng)用層面的技術(shù)開發(fā)角度來說，NB-IoT 應(yīng)用架構(gòu)（如圖1）可以抽象為NB-IoT 終端（UE）、NB-IoT 信息郵局（MPO）、NB-IoT 人機(jī)交互系統(tǒng)（HCI）三個(gè)組成部分，這種抽象為開發(fā)NB-IoT 應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)

我們從這三個(gè)層面去實(shí)現(xiàn)高邊坡的智能監(jiān)控（如圖2），本套套件的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用NXP KL36 作為主控MCU，采集節(jié)點(diǎn)和MCU 聯(lián)絡(luò)使用NB-IoT 技術(shù)，通過將采集節(jié)點(diǎn)采集到的降雨量、土壤溫濕度、土壤含水量、相對(duì)位移，和高邊坡傾斜度等信息使用NB-IoT模塊上傳至服務(wù)器，數(shù)據(jù)上傳的頻率為1-2 小時(shí)1 次，節(jié)點(diǎn)軟件使用C 語言開發(fā)，不加入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以降低開發(fā)難度。同時(shí)因?yàn)椴捎昧薔B-IoT 技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，我們可以基本實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的廣覆蓋。從而提高高速公路高邊坡安全監(jiān)測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)全天候、無人值守及自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

圖2 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

因?yàn)殚}北地區(qū)春冬季陰雨天較多，所以我們針對(duì)閩北地區(qū)的高速公路邊坡進(jìn)行多方面的分析。在降雨后高速路高邊坡下方更可能生成地下水池，從而會(huì)造成邊坡的沉降。本項(xiàng)目對(duì)一代成果進(jìn)行分析，擬引入多孔碳管與液面?zhèn)鞲衅?，?duì)地下水位進(jìn)行一定的分析。同時(shí)，針對(duì)邊坡的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)格交匯處進(jìn)行受力數(shù)據(jù)采集，對(duì)邊坡應(yīng)力平衡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此外，使用激光測(cè)距，進(jìn)行監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和邊坡之間的距離測(cè)量，從而分析出是否會(huì)出現(xiàn)輕微滑坡現(xiàn)象，同時(shí)為了提早預(yù)防邊坡變形造成的傷害，我們用拉線式傳感器采集邊坡移位數(shù)據(jù)，測(cè)斜儀采集邊坡傾斜變化信息[2]。另外我們使用市面上面較常見的DHT11 傳感器來采集溫濕度的數(shù)據(jù)，雨量計(jì)采集降雨量的信息，同時(shí)使用485 總線型土壤濕度傳感器采集土壤含水量（如圖3）。

我們的采集節(jié)點(diǎn)使用NXP KL36 作為主控MCU,KL36 擁有較好的穩(wěn)定性，適用于野外復(fù)雜多變的環(huán)境中。主控MCU 和各節(jié)點(diǎn)相互配合工作，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。同時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部各節(jié)點(diǎn)大多使用的是NB-IoT通信技術(shù)，所以功耗低，工作時(shí)間長(zhǎng)，可以長(zhǎng)期布設(shè)在野外。

3 服務(wù)器的程序設(shè)計(jì)

云端服務(wù)器采用C#語言開發(fā)，同采集節(jié)點(diǎn)建立TCP 連接，完成數(shù)據(jù)的上行及命令的下發(fā)；服務(wù)器同App 及Web 客戶端建立WebSocket 連接，允許服務(wù)器主動(dòng)推送數(shù)據(jù)至客戶端，及時(shí)顯示預(yù)警提示信息。

圖3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

4 客戶端程序設(shè)計(jì)

針對(duì)本次研究我們?cè)O(shè)計(jì)了多種形式的客戶端模式，主要為手機(jī)App 及Web 網(wǎng)頁[3]。手機(jī)App 開發(fā)使用的Android Studio 是基于IntelliJ IDEA 的谷歌開發(fā)Android 應(yīng)用開發(fā)集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。Web 開發(fā)使用的JavaScript 這種直譯型腳本語言，和App 一樣，都是從服務(wù)器上接收數(shù)據(jù)。具體顯示的內(nèi)容采用H5 技術(shù)開發(fā)。通過這種顯示方式，可以使監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)更友好，更方便呈現(xiàn)。

5 硬件系統(tǒng)和軟件的通信

NB-IoT 的信息郵局可以從很多個(gè)角度去看待。

從物理角度，戶外的鐵塔與NB-IoT 基站路由器組成了NB-IoT 基站。鐵塔是基站路由器的外部支撐機(jī)構(gòu)，通過將NB-IoT 基站路由器高高地掛起，從而增強(qiáng)了NB-IoT 基站路由器的信號(hào)，進(jìn)而提高了其無線覆蓋范圍。從應(yīng)用開發(fā)用戶編程角度來看，NB-IoT 基站路由器是個(gè)連接云服務(wù)器和個(gè)人用戶使用端的中間過渡。

云服務(wù)器CS 的組成，可以使實(shí)體服務(wù)器，也可以是分散的云服務(wù)器。對(duì)于開發(fā)者來說，它就是具體信息偵聽功能的固定IP 地址與端口。一般來說，使用云服務(wù)器，是需要通過給信息郵局MPO 運(yùn)營商或第三方機(jī)構(gòu)申請(qǐng)并交納費(fèi)用才可以使用的。

云服務(wù)器通過一個(gè)固定的IP 地址接收終端UE 向固定端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過偵聽程序負(fù)責(zé)接收這些數(shù)據(jù)，偵聽程序主要負(fù)責(zé)監(jiān)視UE 是否有發(fā)來數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)就把它收下來放入數(shù)據(jù)庫，還要負(fù)責(zé)把人機(jī)交互系統(tǒng)HCI 要送給終端UE 的數(shù)據(jù)發(fā)送給終端。

云服務(wù)器具有固定的IP 地址和端口號(hào)，是偵聽程序及數(shù)據(jù)庫的物理支撐。在云服務(wù)器里面可以完成偵聽程序及數(shù)據(jù)庫的更新和運(yùn)行，云服務(wù)器的訪問需要用戶名和密碼。通過手機(jī)App 或者Web 網(wǎng)頁在云服務(wù)器上讀取需要的數(shù)據(jù)從而顯示在個(gè)人設(shè)備上。如圖4。

圖4 設(shè)備布設(shè)實(shí)景

6 項(xiàng)目特色

本項(xiàng)目考慮到閩北春冬季陰雨天較多，夏秋季光照較強(qiáng)，同時(shí)邊坡位置一般風(fēng)力較大，所以我們?cè)O(shè)計(jì)采用太陽能為節(jié)點(diǎn)提供電源。針對(duì)春冬雨季缺少太陽的特點(diǎn)，我們給設(shè)備配備了蓄電池，將多余電力存儲(chǔ)，保證節(jié)點(diǎn)的電力供應(yīng)。針對(duì)雨季缺少太陽為了提高使用壽命，我們?cè)谠O(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)程序過程中優(yōu)化程序，通過程序控制使芯片在兩次數(shù)據(jù)采集間隔期間休眠，減少電力消耗；并且在節(jié)點(diǎn)和傳感器內(nèi)設(shè)計(jì)開門狗定時(shí)器，防止程序跑飛。

7 結(jié)語

本文主要對(duì)閩北高速公路高邊坡智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)硬件和后臺(tái)軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述[4]。通信系統(tǒng)基于NB-IoT 技術(shù)開發(fā)，將硬件及其軟件兩部分結(jié)合起來。硬件部分通過微控制器MCU 及其最小硬件系統(tǒng)連接雨量計(jì)、溫濕度傳感器、位移傳感器及測(cè)斜儀等傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境及邊坡信息檢測(cè)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并傳輸至服務(wù)器。軟件部分包括通信軟件，Web 網(wǎng)頁和App 三個(gè)部分，通信軟件在硬件節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器之間建立TCP 連接，借由通信模組和NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，并完成信息的云端智能高效存儲(chǔ)，通過Web 網(wǎng)頁可以接收數(shù)據(jù)并靈活展示數(shù)據(jù)。開發(fā)出的套件具有模塊化集成，采集精度高，靈活性強(qiáng)，高性能等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和很大的市場(chǎng)空間。