基于NB-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)

文｜蘭州朗青交通科技有限公司 于麗麗 王剛

進十年來農(nóng)村公路建設(shè)成績斐然，為改善農(nóng)民生產(chǎn)生活條件做出了重要貢獻，但是管理和養(yǎng)護仍是“四好農(nóng)村路”發(fā)展的短板和難點，存在技術(shù)指導(dǎo)體系不完善，管理養(yǎng)護技術(shù)支持需要加強，機械化、信息化程度低，質(zhì)量效率亟待提升問題。針對以上問題，目前高速公路和國省干線配備了供配電及電力監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，其中，電力監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感設(shè)備，攝像頭及電子卡口等終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)通過4G、金屬纜和光纜等實現(xiàn)語音、圖像信息、監(jiān)控數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)從設(shè)備終端到上層應(yīng)用系統(tǒng)之間的上行和下行。 但是在路段相對偏遠(yuǎn)地區(qū)的三、四級公路或農(nóng)村公路，因電纜敷設(shè)成本昂貴等問題其電力監(jiān)控系統(tǒng)安裝困難。對于這些道路的監(jiān)管主要通過人工進行巡檢和管理，其自動化水平和管理效率較低。NB-IoT是一種典型的專用低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），其通信范圍可達(dá)數(shù)公里至數(shù)十公里，電池壽命達(dá)到10年及以上。相較于提供廣域覆蓋的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其終端設(shè)備的復(fù)雜性、成本、功耗要求都比較低。本文借助高速公路和國省干線的管理模式，結(jié)合農(nóng)村公路管養(yǎng)面臨的實際問題，建設(shè)提出基于NB-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)大區(qū)域、低成本的農(nóng)村公路的道路監(jiān)管。

圖 1 基于NB-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

一、項目介紹

基于NB-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)采用專用低功耗廣域網(wǎng)，解決目前農(nóng)村公路區(qū)域面積大，道路里程長和管養(yǎng)經(jīng)費較低的監(jiān)測、管養(yǎng)問題難的問題?？傮w來看，本系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)管設(shè)備需要低功耗，系統(tǒng)的采集，搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺和統(tǒng)一的道路資產(chǎn)管理模式?；贜B-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

二、系統(tǒng)設(shè)計方案

（1）系統(tǒng)原理

基于NB-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)基于低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，采用無線傳感采集+低功耗廣域網(wǎng)傳輸+云端平臺計算的方式實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、終端不能供電情況下的農(nóng)村公路的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚和數(shù)據(jù)建模的監(jiān)管模式。系統(tǒng)由負(fù)責(zé)進行道路狀況數(shù)據(jù)采集的終端設(shè)備和傳輸模塊，全國覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和進行數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)服務(wù)的云平臺資源構(gòu)成，其系統(tǒng)運行示意圖如圖2所示

LPWAN有兩個特點：即低功耗和廣域覆蓋，即在低功耗的情況下，實現(xiàn)長距離通信的無線技術(shù)，遠(yuǎn)距離通信能力可支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署，低功耗可避免經(jīng)常更換電池，降低維護成本。其中NB-IoT是主要的LPWAN技術(shù)，NB-IoT所占用的帶寬很窄，只需約180KHz，而且其使用授權(quán)頻段，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，能夠直接部署在2/3/4G的網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用，降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級。數(shù)據(jù)采集后可直接上傳到云端，不需要通過網(wǎng)關(guān)，簡化了現(xiàn)場部署。

基于NB-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)通過在監(jiān)管路段的不同位置安裝實現(xiàn)不同功能傳感器進行監(jiān)控數(shù)據(jù)采集，利用NBIoT技術(shù)實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的回傳并在管理平臺中對不同場景下的數(shù)據(jù)進行建模和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，從而實現(xiàn)偏遠(yuǎn)路段的道路資產(chǎn)監(jiān)管。

（2）支撐技術(shù)

充分借鑒國內(nèi)外無線傳感技術(shù)、分布式計算技術(shù)和數(shù)據(jù)建模技術(shù)，搭建基于NBIoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)。平臺承載數(shù)據(jù)的存儲、計算等管理工作，并實現(xiàn)不同的接口API和管理界面，為不同的應(yīng)用者提供管理入口。

（3）架構(gòu)設(shè)計

終端設(shè)備通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入NBIoT聯(lián)結(jié)管理平臺，根據(jù)設(shè)備類型，選擇物聯(lián)網(wǎng)平臺，使用NB-IoT聯(lián)結(jié)管理平臺作為連接業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備的中間層，屏蔽了各種復(fù)雜的設(shè)備接口，實現(xiàn)設(shè)備的快速接入；同時業(yè)務(wù)平臺利用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供強大的開放能力構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（4）數(shù)據(jù)字典設(shè)計

數(shù)據(jù)字典是描述數(shù)據(jù)的信息集合，是對系統(tǒng)中使用的所有數(shù)據(jù)元素定義的集合。數(shù)據(jù)字典設(shè)計工作即分析用戶和系統(tǒng)交互的對象屬性，及對象與其他對象之間的關(guān)系，并對數(shù)據(jù)管理平臺中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲、處理邏輯等進行定義和描述，對數(shù)據(jù)流程圖中的各個元素做出詳細(xì)的說明。

（5）API設(shè)計

API 設(shè)計是指開發(fā)應(yīng)用程序編程接口（API）的過程，該接口可公開數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序功能以供開發(fā)人員和用戶使用?；贜B-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)考慮道路不同業(yè)務(wù)場景結(jié)合API的數(shù)據(jù)格式、方法結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模型和身份驗證等多個層面對平臺的API進行設(shè)計，并形成接口文檔。

（6）UI設(shè)計

圖 2 基于NB-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)運行示意圖

UI是指人與信息交互的媒介，它是信息產(chǎn)品的功能載體和典型特征，其次UI是指信息的采集與反饋、輸入與輸出，這是基于界面而產(chǎn)生的人與產(chǎn)品之間的交互行為，本系統(tǒng)的UI設(shè)計根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)面對用戶，綜合考慮UI的簡易性、一致性和用戶操作習(xí)慣，為平臺進行操作界面的設(shè)計 。

三、應(yīng)用實例

結(jié)合NB-IoT數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合不同的農(nóng)村公路運行場景進行建模，對車輛通行數(shù)據(jù)、周圍地質(zhì)狀況等數(shù)據(jù)進行建模，為道路管養(yǎng)措施提供依據(jù)。

（1）場景選擇：選在數(shù)據(jù)采集里面比較有代表性的場景，進行技術(shù)狀況監(jiān)測的橋梁、關(guān)鍵路段和道路邊坡。

（2）試點選擇：選因供電成本較高無法供電的農(nóng)村公路且滿足以上場景的試點。

（3）終端設(shè)備安裝：在選擇的試點中植入若干個不同種類的傳感設(shè)備，利用低功耗廣域網(wǎng)等技術(shù)無線傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)至NB-IoT聯(lián)結(jié)管理平臺進行儲存、處理與分析。

（4）業(yè)務(wù)平臺處理：業(yè)務(wù)平臺處理、分析NB-IoT聯(lián)結(jié)管理平臺中儲存數(shù)據(jù)，并對不同場景的數(shù)據(jù)建模，并根據(jù)分析結(jié)果及時采取應(yīng)對措施并對模型數(shù)據(jù)進行修正。

四、結(jié)論

此項目以NB-IoT技術(shù)為主要技術(shù)落腳點，將物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、無線傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)建模技術(shù)運用于公路工程的數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析工作中，搭建基于NB-IoT的農(nóng)村道路智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)村道路建管養(yǎng)運不同階段、不同維度、不同場景的技術(shù)狀況的數(shù)據(jù)采集傳輸，并建立起不同場景下的運營數(shù)據(jù)模型，為農(nóng)村道路的建設(shè)、養(yǎng)護管理提供參考模型，為智慧公路的建設(shè)積累了信息化經(jīng)驗。