智能管道定位系統(tǒng)設(shè)計

陳瑞東，秦會斌，葉 晨

（杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018）

0 引言

排水管網(wǎng)與市民的生活質(zhì)量、城市的經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。地下排水管道的運行故障將會直接造成水資源的浪費以及城市內(nèi)澇等問題。高精度的定位技術(shù)可以實時監(jiān)控城市管道使用過程發(fā)生的位移情況， 提高城市排水管道搶修效率，為管道穩(wěn)定運行提供保障。

20 世 紀 60 ～90 年 代 之 間 ， 全 球 定 位 系 統(tǒng)（Global Positioning System，GPS） 被研制并逐漸走向成熟[1]，其定位精度越來越高，這使得無線定位技術(shù)產(chǎn)生革命性的發(fā)展。 當前，已經(jīng)有多種定位方法被開發(fā)并投入使用， 如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、 蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)，以及以無線局域網(wǎng)（Wireless Fidelity，WiFi）、低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）技術(shù)、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）等為代表的室內(nèi)或小范圍環(huán)境的定位系統(tǒng)[2]。 北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)并且獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 與目前的全球定位系統(tǒng)相比， 北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的信號強度和定位精度更高[3]。 根據(jù)《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告 （4.0 版）》， 北斗系統(tǒng)已完成全球覆蓋，且在亞太地區(qū)定位精度可達水平5 米、高程5米（95%）。

本文研究的智能管道定位系統(tǒng)基于北斗定位技術(shù)，結(jié)合信號處理電路，完成地下水管位置的確定，并通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)將定位系統(tǒng)檢測到的管道定位信息打包發(fā)送至云平臺， 再通過Web 應用軟件實現(xiàn)前端和后端的解耦。該系統(tǒng)能夠提升城市管道的安裝與維護能力，使城市管道的維修變得更加便捷，形成工程化應用示范，并推動管道產(chǎn)業(yè)由中低檔單純排水管道產(chǎn)品向高端智能化管道產(chǎn)品的升級。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

智能管道定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本系統(tǒng)主要采用終端GNSS 傳感器實時采集管道的位置信息，依托中國電信NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，再通過IoT云平臺將系統(tǒng)檢測到的管道信息打包發(fā)送至Web應用軟件，在上位機上實時顯示采集的管道位置信息，實現(xiàn)管道監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Figure 1 The overall structure of the system

1.2 北斗衛(wèi)星定位

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務(wù)的國家重要時空基礎(chǔ)設(shè)施[5]。衛(wèi)星定位技術(shù)基于測距交會原理，并通過空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面間距離等數(shù)據(jù)交會出地面點位置，如圖 2 所示。

圖2 衛(wèi)星定位示意圖Figure 2 Schematic diagram of satellite positioning

假定接收機周邊空間共分布著4 顆衛(wèi)星，且位置已知。衛(wèi)星在運行過程中每隔時間T 發(fā)出一個偽隨機測距碼信號，接收機接收到信號后，將其與自身的復制碼進行相關(guān)處理，得到信號相關(guān)系數(shù)：

式中：a（t-ΔTtrans）為接收到的衛(wèi)星信號，a（t+ΔT-ΔTdelay）為接收機產(chǎn)生的復制碼，R（ΔTdelay）為信號自相關(guān)系數(shù)，T 為測距碼信號的周期，ΔTtrans為衛(wèi)星信號的傳播時間，ΔT 為接收機時鐘與衛(wèi)星時鐘的鐘差，ΔTdelay為復制碼的延時時間。

若信號間的自相關(guān)系數(shù)R（ΔTdelay）≠1，調(diào)節(jié)復制碼延時時間 ΔTdelay，直至相關(guān)系數(shù) R（ΔTdelay）≈1。不考慮鐘差時間的情況下，信號對齊后，延時時間ΔTdelay可近似為衛(wèi)星信號的傳播時間 ΔTtrans。 理想情況下，信號在空氣中的傳播速度近似于光速c，衛(wèi)星與接收器間的測量距離，又稱為偽距，即為信號的傳播時間 ΔTdelay與光速 c 的乘積， 如式（2）所示。

根據(jù)測量學的測量交會原理，若空間中存在3個位置已知的控制點，且控制點與目標點的距離確定的情況下，分別以各控制點為圓心，距離為半徑劃圓，圓的交匯點即目標點位置，如圖 3 所示。

圖3 衛(wèi)星定位測量交會Figure 3 Satellite positioning measurement rendezvous

考慮到接收機與衛(wèi)星之間存在鐘差ΔT， 實際應用中，衛(wèi)星配備精度極高的原子鐘。 如北斗三號的氫原子鐘，每百萬年偏差僅一秒；接收機上的石英鐘穩(wěn)定性一般， 通常認為鐘差主要來自于接收機的時鐘。 為了修正鐘差對定位精度帶來的誤差，除測量交會原理的三組數(shù)據(jù)外， 還需提供一組數(shù)據(jù)才能得出準確的接收機位置。 假定衛(wèi)星坐標分別為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3）和（x4，y4，z4），可得式：

由式計算可得出坐標數(shù)據(jù)，最終確定接收機的位置。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供B1、B2 和B3 三頻信號服務(wù)[4]，其中，B1 頻段的中心頻率為 1561.098MHz，B2 為 1207.14MHz，B3 為 1268.52MHz。 為保證信號能夠被正常接收， 接收機天線需滿足表 1 要求的規(guī)格。

表1 天線規(guī)格Table 1 Antenna specifications

1.3 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

城市管道數(shù)目眾多且分布于城市地下不同位置，無法通過人工進行監(jiān)控。 因此需要管道定位系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至Web 端， 從而反映管道的當前位置。 數(shù)據(jù)通信采用NB-IoT 技術(shù)，該技術(shù)具有廣覆蓋、低功耗、低成本、節(jié)點布置簡單等優(yōu)勢，因此在城市管理中得到了廣泛應用。

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)采用了基于4G LTE 的核心網(wǎng)架構(gòu)，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)大連接、低速率、低功耗和廣覆蓋等要求進行了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和處理流程上的優(yōu)化。具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4 所示。NB-IoT 終端通過空口連接到基站，然后通過S1 接口與核心網(wǎng)相連。網(wǎng)絡(luò)側(cè)與 LTE 網(wǎng)絡(luò)相同， 包含 S1、S5/S8、S6a、S11和Uu 接口，僅針對物聯(lián)網(wǎng)進行了優(yōu)化；業(yè)務(wù)平臺接口中的T6 接口實現(xiàn)MME 和SCEF 之間非IP 數(shù)據(jù)的傳輸。為了提升小數(shù)據(jù)傳輸效率，NB-IoT 系統(tǒng)對現(xiàn)有LTE 處理流程進行了相關(guān)優(yōu)化， 其中包括C-SGN 支持控制面優(yōu)化傳輸方案和用戶面優(yōu)化傳輸方案這兩種優(yōu)化的小數(shù)據(jù)傳輸方案和僅為高效的小分組數(shù)據(jù)保留必要的安全流程等。

圖4 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Figure 4 NB-IoT network architecture

1.4 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計

Web 應用軟件，主要實現(xiàn)用戶管理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)可視化等功能， 可以將GNSS 傳感器檢測到的信息通過可視化的形式在軟件中顯現(xiàn)出來， 以顯示管道當前的位置。Web 應用軟件采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)開發(fā)，基于 Java 語言，采用模型—視圖—控制器 （Model View Controller，MVC）設(shè)計框架，設(shè)計模型、視圖組件和控制器。

2 系統(tǒng)搭建與測試分析

2.1 定位模塊

地下水管的定位模塊選用基于北斗定位技術(shù)的低功耗芯片，結(jié)合信號處理電路，完成定位。其定位模塊實物如圖5 所示。

圖5 定位模塊實物圖Figure 5 Physical map of positioning module

衛(wèi)星信號經(jīng)過空氣傳播過程產(chǎn)生衰減，信號已不能被射頻芯片直接使用，故信號需進行放大。 另外，天線接收到的信號通常存在較強的噪聲，若將信號和噪聲一起放大非常不利于后續(xù)處理，因此需選用低噪聲放大器LNA（Low Noise Amplifier）對信號進行放大。 放大后的信號經(jīng)過聲表面濾波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）濾除干擾信號后，供GNSS 單元運算處理，獲得接收機位置信息后發(fā)送至微控制單元 MCU（Micro Control Unit），整個定位模塊的信號處理架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 定位模塊的信號處理架構(gòu)Figure 6 Signal processing architecture of positioning module

2.2 NB-IoT 通信網(wǎng)搭建

智能管道定位系統(tǒng)中， 每個節(jié)點設(shè)備都擁有一個獨一無二的第六版互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv6 地址。 節(jié)點上傳數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)地址存在于數(shù)據(jù)包頭部，隨管道信息發(fā)送至NB-IoT 云平臺。 云平臺選用中國電信NB-IoT 云平臺，具有擁塞控制、免心跳和命令緩存等優(yōu)勢。 NB-IoT 云平臺是整個系統(tǒng)的通信橋梁， 基于受限應用協(xié)議 （Constrained Application Protocol，CoAP）與終端通信，并基于超文本傳輸安全協(xié)議HTTPS 與Web 應用軟件通信， 提供NBIoT 通信業(yè)務(wù)的連接管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理和能力開發(fā)等基礎(chǔ)功能。

2.3 Web 應用軟件開發(fā)

智能管道定位系統(tǒng)Web 應用組成如圖7 所示。 智能管道定位系統(tǒng)的Web 程序接收到數(shù)據(jù)包后，解析獲得設(shè)備編號、位置等信息，通過SQL 語句將信息存儲至MySQL 數(shù)據(jù)庫。 程序調(diào)用地圖的應用程序編程接口API，集中顯示各節(jié)點的編號及位置信息， 有效提高智能管道定位系統(tǒng)的實時性、可靠性。 同時，程序可調(diào)用Java 信息推送API 通知用戶，用戶能夠及時獲取管道信息，有效提高智能管道檢測系統(tǒng)的實時性、可靠性。 為了提高智能管道定位系統(tǒng)的交互體驗，Web 應用包含以下功能：第一，節(jié)點篩選，在地圖上顯示節(jié)點編號及位置；第二，用戶接口的設(shè)計，實現(xiàn)節(jié)點設(shè)備的信息修正及遠程控制。

圖7 智能管道定位系統(tǒng)Web 應用組成Figure 7 Web application composition of intelligent pipeline positioning system

3 結(jié)語

本文針對城市地下排水管存在的問題，設(shè)計了智能管道定位系統(tǒng)：基于北斗定位技術(shù)，利用GNSS定位芯片和數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至Web 端，實現(xiàn)雙向交互，可以實現(xiàn)管道的可視化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理，使城市管道的監(jiān)控和維修變得更加便捷。