基于NB-IoT的建筑工地危險(xiǎn)區(qū)域警告和平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

石袁浩 錢明 孫蔚洋 唐先行 馮萬(wàn)利

摘 要：針對(duì)建筑工地危險(xiǎn)區(qū)域眾多，地形復(fù)雜的情況，為確保工地施工過(guò)程的安全，需對(duì)施工的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，對(duì)工人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤﹫?bào)警。針對(duì)以上情況，提出一種基于NB-IoT的工地警報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)STM32連接GPS模塊及NB-IoT模塊，通過(guò)連接華為物聯(lián)網(wǎng)云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過(guò)Web界面實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域的劃分并實(shí)時(shí)顯現(xiàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域報(bào)警的功能，解決了工地危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)警這一實(shí)際問(wèn)題，保證工人的安全。

關(guān)鍵詞：GPS定位;STM32;NB-IoT;PNPoly算法;云端平臺(tái);危險(xiǎn)預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-0-04

0 引 言

現(xiàn)階段，大量城市基建需要改建擴(kuò)建，由于建筑工地上存在各種大型機(jī)械設(shè)備及多種建筑材料，因此是安全事故的頻發(fā)地。若工地上存在危險(xiǎn)區(qū)域，工作人員沒有及時(shí)了解，則誤入該區(qū)域很可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

本文基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)一種工地警報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32微控制器，連接云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，以及Web頁(yè)面的編寫，很好地解決工人誤入危險(xiǎn)區(qū)域的情況，較大程度上節(jié)約投資成本，也能更好地保證工人的安全。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 華為IoT平臺(tái)

1.1.1 設(shè)備接入

華為IoT平臺(tái)支持終端設(shè)備直接接入，也可通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)或家庭網(wǎng)關(guān)接入。同時(shí)，支持多網(wǎng)絡(luò)接入、多協(xié)議接入、多Agent接入和云端協(xié)議解析，解決接入設(shè)備的復(fù)雜多樣化和碎片化難題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速接入。

（1）多網(wǎng)絡(luò)接入：支持有線和無(wú)線的接入方式，如固定寬帶，2G/3G/4G/5G，NB-IoT，Z-Wave，ZigBee，eLTE等。

（2）多協(xié)議接入：支持HTTP/S，MQTTS，LWM2M/CoAP原生協(xié)議接入。

（3）多Agent接入：支持Agent Rich，Agent Lite和Agent Tiny，覆蓋的語(yǔ)言包括C，Java，Python。Agent可與海思、高通主流芯片、模組預(yù)集成，縮短了TTM。

（4）云端協(xié)議解析：支持在云端對(duì)接入?yún)f(xié)議和設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，無(wú)需變更設(shè)備端數(shù)據(jù)上報(bào)格式，可在云端開發(fā)插件，靈活解析。

1.1.2 安全及數(shù)據(jù)保護(hù)

IoT提供多種安全防護(hù)措施，確保設(shè)備安全、數(shù)據(jù)有效保護(hù)。

設(shè)備安全：提供一機(jī)一密的設(shè)備安全認(rèn)證機(jī)制，防止設(shè)備非法接入。

信息傳輸安全：基于TLS，DTLS，DTLS+加密協(xié)議，提供安全的傳輸通道。

數(shù)據(jù)保護(hù)：滿足歐盟GDPR數(shù)據(jù)隱私保護(hù)要求。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，選擇使用華為IoT云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備入網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上報(bào)、下發(fā)。

1.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）[1]基于蜂窩技術(shù)實(shí)現(xiàn)，消耗帶寬小，可直接部署于多數(shù)網(wǎng)絡(luò)（如LTE），大大降低了部署成本。

1.2.1 高覆蓋

NB-IoT上行采用IntersiteCoMP技術(shù)，在上行鏈路可獲得至少20 dB的增益，可滿足空曠地帶的廣度覆蓋，也可實(shí)現(xiàn)多障礙地區(qū)的深度覆蓋，甚至可覆蓋至地下（如地下管道、油井），在地況復(fù)雜的建筑工地，NB-IoT足夠勝任。

1.2.2 低功耗

NB-IoT引入PSM和eDRX，容量電池可達(dá)十年以上，由于本文系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的供電時(shí)間以減少更換電池頻次，因此適宜本文系統(tǒng)使用。

1.2.3 低成本

相比于4G，GPRS等同行方式，NB-IoT收費(fèi)更少。在終端芯片的成本方面，NB-IoT終端采用窄帶帶寬，且在射頻模塊的選擇方面使用單天線和半雙工的方式，相比市面上其他的通信模塊，成本降低很多。鑒于本文系統(tǒng)多終端、多通信的特點(diǎn)，選用NB-IoT可大大降低成本[2]。

2 系統(tǒng)概述

2.1 總體框架

本文系統(tǒng)采用STM32配置NB-IoT模塊入網(wǎng)，連接華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[3]，開發(fā)Web地圖應(yīng)用。根據(jù)華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)北向應(yīng)用API，對(duì)接華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用百度地圖API，圈出危險(xiǎn)區(qū)域，并將相關(guān)點(diǎn)位置信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，從平臺(tái)獲得終端位置信息，計(jì)算出終端是否處于危險(xiǎn)區(qū)域，并反饋至終端。

本文系統(tǒng)以淮陰工學(xué)院作為試驗(yàn)場(chǎng)所，劃定一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行GPS信號(hào)傳輸，Web網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)最后的界面展示，使用CSS，JavaScript進(jìn)行頁(yè)面前端設(shè)計(jì)、區(qū)域報(bào)警算法的實(shí)現(xiàn)，以MySQL作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)，通過(guò)華為云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的傳輸。

系統(tǒng)分為終端與應(yīng)用軟件兩個(gè)模塊。終端以STM32L431RxT6為基礎(chǔ)，BC95為NB-IoT模塊，L80R為GPS模塊。STM32L431RxT6，BC95，L80R三者均具有良好的連接配合性，且兼顧使用精度?？傮w系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 開發(fā)進(jìn)展

2.2.1 接入平臺(tái)

首先將設(shè)備接入華為云平臺(tái)，在云平臺(tái)上注冊(cè)設(shè)備。云平臺(tái)與終端對(duì)接連通流程如圖2所示。用戶名及密碼為預(yù)約遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室時(shí)收到的郵件中對(duì)應(yīng)的登錄賬戶與密碼。華為云平臺(tái)注冊(cè)登錄界面如圖3所示。

登錄開發(fā)者Portal，單擊“Profile開發(fā)>產(chǎn)品”，單擊頁(yè)面右上角的“自定義產(chǎn)品”，轉(zhuǎn)至“產(chǎn)品模板”頁(yè)面。單擊右上角的“創(chuàng)建全新產(chǎn)品”。根據(jù)實(shí)際填寫“設(shè)備類型”“設(shè)備型號(hào)”“廠商ID”“廠商名稱”等數(shù)據(jù)，單擊“確定”，添加產(chǎn)品完成。

在產(chǎn)品詳情頁(yè)單擊“新建服務(wù)”，根據(jù)界面提示信息，增加基本信息、屬性或命令，單擊“保存”。

單擊產(chǎn)品詳情右上角的“導(dǎo)出該產(chǎn)品Profile”，可直接生成Profile文件并將文件導(dǎo)出至本地某位置。

建立Profile屬性、命令與消息的映射關(guān)系。根據(jù)事先定義的Profile設(shè)計(jì)插件中的消息，根據(jù)拖拉服務(wù)中的屬性或命令與消息中的字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，屬性對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)上報(bào)中的字段列表，有多個(gè)服務(wù)就新增多個(gè)消息。為便于理解，建議字段名稱與屬性名的設(shè)置相同。創(chuàng)建的全新產(chǎn)品如圖4所示。

串口助手發(fā)送相應(yīng)AT指令[4]使模塊入網(wǎng)，單擊“我的設(shè)備”，進(jìn)入設(shè)備詳情頁(yè)面，單擊“歷史數(shù)據(jù)”頁(yè)簽，可看到上報(bào)的數(shù)據(jù)。

“我的設(shè)備”如圖5所示，插件設(shè)計(jì)如圖6所示，設(shè)備屬性設(shè)置如圖7所示，串口發(fā)送命令如圖8所示，數(shù)據(jù)上報(bào)成功如圖9所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)連接

數(shù)據(jù)上報(bào)成功代表NB-IoT入網(wǎng)配置成功，然后將程序燒錄在STM32開發(fā)板中。開發(fā)板配有獨(dú)立電源，可在戶外使用，并驅(qū)動(dòng)NB-IoT模塊，使之能夠與服務(wù)器通信。

通信的目的是將終端設(shè)備的位置信息隨時(shí)發(fā)送至服務(wù)端，本文采用GPS模塊獲取終端設(shè)備的位置信息[5]，同樣使用STM32作為控制器。GPS采集位置信息后，通過(guò)NB-IoT模塊發(fā)送至華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的服務(wù)端。

硬件端配置完成后，進(jìn)行室外測(cè)試。若開發(fā)板上的信號(hào)燈開始閃爍，則表示建立了通信，已向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)。APP顯示GPS數(shù)據(jù)如圖10所示。

發(fā)送的數(shù)據(jù)可在華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)查看，并可從平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行邏輯處理。

2.2.3 軟件端開發(fā)

系統(tǒng)應(yīng)用軟件層主要包括Web網(wǎng)站應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。

應(yīng)用軟件采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)。相比于C/S（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)，B/S基于HTML開發(fā)瀏覽器界面，無(wú)需再開發(fā)客戶端，且可通過(guò)多種方式訪問(wèn)用戶手機(jī)瀏覽器、電腦瀏覽器，且無(wú)時(shí)間和地點(diǎn)的限制。

系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)適用性廣，成本低，有大量的開源代碼，操作相對(duì)方便，受到廣大開發(fā)者的好評(píng)[6]。系統(tǒng)軟件流程如圖11所示。

Java語(yǔ)言執(zhí)行效率高，語(yǔ)法嚴(yán)格規(guī)范，應(yīng)用范圍廣。此外，華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的對(duì)接方案只用JavaSDK以及相關(guān)文檔，故本文采用Java語(yǔ)言。

終端回傳的GPS數(shù)據(jù)代表當(dāng)前工人的具體位置，為此需建立可描繪的危險(xiǎn)區(qū)域模型，并使用回傳的GPS數(shù)據(jù)，判斷工人是否處于危險(xiǎn)位置。因此，需要開發(fā)軟件端的應(yīng)用，以更清楚直觀地展示位置信息。

建立Web地圖應(yīng)用時(shí)需使用第三方API，出于方便、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用多角度綜合考慮，選取百度地圖作為模型，前端頁(yè)面可直接通過(guò)Script標(biāo)簽引入百度地圖的API。

Web前端使用HTML+CSS+JavaScript進(jìn)行開發(fā)，將百度地圖API導(dǎo)入后，初始化API相關(guān)代碼，包括相關(guān)控件、地圖比例、地圖中心位置、地圖大小等元素。

初始化地圖模型后，創(chuàng)建危險(xiǎn)區(qū)域。百度地圖API提供多種繪圖工具，如圓形、多邊形、直線、路徑、點(diǎn)等?？紤]到危險(xiǎn)區(qū)域的不確定性，采用多邊形繪制。將地圖放大后，任意圖形都可通過(guò)多邊形描繪，邊數(shù)越多描述越精確。繪圖時(shí)將多邊形每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)、緯度坐標(biāo)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，再與終端位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，從而判斷工人是否處于危險(xiǎn)區(qū)域。百度地圖API并未提供相關(guān)點(diǎn)的經(jīng)、緯度信息，通過(guò)閱讀百度地圖API源碼，找到點(diǎn)擊繪圖實(shí)踐的對(duì)象模型，在onclick函數(shù)中添加Ajax（synchronousJavascriptAndXML）代碼，再將點(diǎn)的左邊信息傳至后端[7]。Web端危險(xiǎn)區(qū)域劃出如圖12所示。

Ajax用于前端頁(yè)面向后端發(fā)出請(qǐng)求，后端響應(yīng)請(qǐng)求，以此實(shí)現(xiàn)前后端的通信。后端創(chuàng)建Servlet，處理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，重寫doGet和doPost方法，doGet處理接收前端Get的請(qǐng)求。調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)表封裝的實(shí)體模型和JDBC封裝的數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)操作，操作成功后響應(yīng)前端請(qǐng)求，返回成功信息。

Servlet作為控制層，將數(shù)據(jù)庫(kù)表封裝的實(shí)體對(duì)象作為視圖層，JDBC封裝的增刪改查操作作為模型層。當(dāng)前端頁(yè)面重新打開時(shí)，需要向后臺(tái)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，Servlet查找已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，以字符串的形式作為Ajax響應(yīng)的數(shù)據(jù)返回至前端，前端接收到字符串，使用JavaScript相關(guān)字符串函數(shù)，且分為數(shù)據(jù)元組，并以此數(shù)據(jù)元組創(chuàng)建繪圖模型[8]，重新繪出之前所描繪出的危險(xiǎn)區(qū)域。獲得終端設(shè)備位置坐標(biāo)及多邊形坐標(biāo)后，借助于PNPoly算法判斷是否處于危險(xiǎn)區(qū)域[9]。若處于危險(xiǎn)區(qū)域，則報(bào)警并計(jì)入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)接北向API完成項(xiàng)目[10]。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)工地安全需求，設(shè)計(jì)了基于NB-IoT的工地警報(bào)系統(tǒng)，采用STM32微控制器，連接云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互以及Web頁(yè)面的編寫，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)區(qū)域的劃出、報(bào)警功能，能在多平臺(tái)查詢報(bào)警系統(tǒng)頁(yè)面，方便操作。該系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，成本低，具有較高的使用價(jià)值。

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