基于NB?IoT 的低功耗窨井水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

葛金鑫，楊慧中

（江南大學(xué) 輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引 言

隨著智慧城市概念的提出與近幾年的迅速發(fā)展，各大、中型城市的市政設(shè)施管理變得越來(lái)越信息化和智能化[1?3]。窨井作為城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)上的重要節(jié)點(diǎn)，對(duì)其內(nèi)部水質(zhì)、水位和井蓋狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和定時(shí)監(jiān)控，對(duì)整個(gè)城市的排水設(shè)施信息化管理意義非凡。但窨井內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，空間封閉狹小，傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中以ZigBee、WiFi 等短距離通信方式結(jié)合GPRS、4G 等[4?7]長(zhǎng)距離通信方式的方法，由于能耗和信號(hào)覆蓋等問(wèn)題，很難應(yīng)用到窨井的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中。近幾年出現(xiàn)的低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）和NB?IoT（Narrow Band Internet of Things）技術(shù)，正好解決了這一問(wèn)題。

NB?IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)是萬(wàn)物互聯(lián)的一個(gè)新興技術(shù)，其低功耗、廣覆蓋、大容量、大連接等優(yōu)勢(shì)，使之可以與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于如環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能抄表等諸多領(lǐng)域[8?10]。此外，NB?IoT 的覆蓋能力較GPRS有20 dB 的增益[11]，尤其適合窨井等水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的通信場(chǎng)景。 本文選用意法公司Cortex?M4 內(nèi)核的STM32L452 低功耗系列芯片為主控芯片，結(jié)合自主設(shè)計(jì)的各類外設(shè)電路，實(shí)現(xiàn)了窨井水質(zhì)、水位和井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)的低功耗采集和處理，利用NB?IoT 通信模塊完成了采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，最終基于電信IoT 平臺(tái)通過(guò)HTTPS 協(xié)議完成了數(shù)據(jù)的展示和管理。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)窨井內(nèi)部環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用嵌入式系統(tǒng)、NB?IoT 通信技術(shù)和低功率傳感器相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)窨井內(nèi)各參數(shù)的低功耗采集和遠(yuǎn)程傳輸。微控制單元采用的STM32L452 芯片是意法半導(dǎo)體公司針對(duì)低功耗應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)的。其在相同主頻下，與F 系列性能相當(dāng)?shù)母?。又因?yàn)樾酒亩喾N低功耗工作模式能夠與NB?IoT 通信模塊的PSM（Power Saving Mode）模式和eDRX（extended Discontinuous Reception）模式協(xié) 同 作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端，工作時(shí)低功耗，休眠時(shí)幾乎無(wú)功耗。窨井水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)采用三級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：第一層為數(shù)據(jù)采集層；第二層為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層；第三層為人機(jī)交互層。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層主要由電源管理模塊、嵌入式微控制單元、NB?IoT 通信模塊、傳感器接入模塊及各類傳感器組成?；赟TM32L452 的嵌入式微控制單元是整個(gè)數(shù)據(jù)采集層低功耗運(yùn)行的核心，其通過(guò)電源管理模塊完成各模塊工作時(shí)的省電管理；通過(guò)接入模塊連接傳感器，接收來(lái)自傳感器的溫度、液位、電導(dǎo)率和井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)由NB?IoT 通信模塊上傳數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層。

2）數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層是一種基于NB?IoT 協(xié)議的信息傳送平臺(tái)[12]，由NB?IoT 基站、電信核心網(wǎng)和電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)組成。NB?IoT 中的數(shù)據(jù)通過(guò)CoAP通信協(xié)議上傳電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，平臺(tái)與人機(jī)交互層通過(guò)HTTPS 通信協(xié)議進(jìn)行信息交互；數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層在數(shù)據(jù)采集層與人機(jī)交互層之間起信息傳送的作用，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)NB?IoT 設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的保存和統(tǒng)一管理。

3）人機(jī)交互層。人機(jī)交互層主要由第三方云服務(wù)器、移動(dòng)端、Web 端和本地展示系統(tǒng)組成，是基于電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)以HTTPS 協(xié)議調(diào)用開(kāi)放接口開(kāi)發(fā)而成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)NB?IoT 設(shè)備的業(yè)務(wù)管理，包括業(yè)務(wù)發(fā)放、業(yè)務(wù)控制和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。以意法半導(dǎo)體公司STM32L452CEUx 低功耗芯片為微控制單元的嵌入式系統(tǒng)和上海移遠(yuǎn)通信公司BC95?B5 模組為基礎(chǔ)的NB?IoT 通信模塊組成，兩者之間通過(guò)USART 串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集終端的工作電壓范圍為3.3～5 V，由于終端整體放置于井下，采用供電電壓為3.6 V 的大容量一次性鋰亞電池，配合電源管理模塊完成各模塊的不同電壓供電。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 微控制單元

基于STM32L452CEUx 低功耗芯片的微控制單元采用Cortex?M4內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了一整套DSP指令和內(nèi)存保護(hù)單元，可增強(qiáng)應(yīng)用程序的安全性。芯片擁有高達(dá)512 KB 的閃存、160 KB SRAM、4 個(gè)SPI 閃存接口、1 個(gè)12 位的快速ADC、1 個(gè)DAC 通道、1 個(gè)低功耗RTC、7 個(gè)通用定時(shí)器、3 個(gè)USART、1 個(gè)UART、2 個(gè)看門狗等單元，可實(shí)現(xiàn)多種采集需求。提供低功耗運(yùn)行模式、兩種睡眠模式、三種停止模式、兩種待機(jī)模式和關(guān)斷模式等九種省電模式，可有效保證系統(tǒng)的低功耗，使豐富的功能能夠很好地滿足設(shè)計(jì)需求[13]。

基于上述器件完成了電源管理模塊、串口模塊、調(diào)試接口模塊、NB?IoT 通信接入模塊和傳感器接入模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)采集、處理、保存等功能。

2.2 NB?IoT 通信模塊

移遠(yuǎn)BC95?B5 模組共有94 個(gè)管腳，包括1 個(gè)ADC、2 個(gè)USART、1 個(gè)外部USIM 接口和1 個(gè)射頻接口等。基于以上器件完成天線射頻模塊、SIM 卡座模塊和ESD 防護(hù)模塊等設(shè)計(jì)。最終，結(jié)合微控制單元和NB?IoT 通信模塊完成低功耗采集終端設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層的傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)采集終端實(shí)物圖

基于上述各模塊特點(diǎn)和硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接入溫度、電導(dǎo)率、液位傳感器和行程開(kāi)關(guān)變送器后，在防水塑料盒中合理布局，設(shè)計(jì)出如圖3 所示的采集終端實(shí)物。優(yōu)越的低功耗特性（無(wú)需外接電源）、穩(wěn)定的信號(hào)覆蓋和良好的防水、防塵能力，使得終端可以整機(jī)安裝于井壁上，在無(wú)人管理的情況下運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。

圖3 數(shù)據(jù)采集終端實(shí)物

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集終端的軟件、電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)設(shè)備接入的軟件以及人機(jī)交互的軟件。

3.1 數(shù)據(jù)采集終端的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端使用一次性鋰亞電池供電，電池使用壽命的長(zhǎng)短決定了整個(gè)終端的運(yùn)行時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)超低功耗，硬件的正確選型必不可少，軟件的合理設(shè)計(jì)也同樣重要。因此，終端軟件設(shè)計(jì)遵循即開(kāi)即用、不用關(guān)閉、短時(shí)間工作、長(zhǎng)時(shí)間休眠的原則。為了克服實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的基站維護(hù)升級(jí)、信號(hào)屏蔽等干擾終端正常工作的情況，軟件設(shè)計(jì)中加入了自檢測(cè)信號(hào)，強(qiáng)制休眠算法，極大地增加了系統(tǒng)的使用壽命。圖4 為數(shù)據(jù)采集終端工作流程。

圖4 終端軟件工作流程

圖4 中，微控制系統(tǒng)上電后完成電源管理及各模塊的初始化；NB?IoT 模塊發(fā)送AT 指令給數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層完成打開(kāi)射頻、網(wǎng)絡(luò)附著、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)等發(fā)送數(shù)據(jù)前的網(wǎng)絡(luò)連接工作；連接微控制單元的各類傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，系統(tǒng)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理并按一定規(guī)則存儲(chǔ)；接著系統(tǒng)通過(guò)USART、DMA 方式與NB?IoT 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，NB?IoT 通信模塊發(fā)送AT 指令與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層完成CoAP 通信協(xié)議的建立，最終將之前存儲(chǔ)在數(shù)組中的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層。

上述過(guò)程中通過(guò)發(fā)送AT 指令完成的步驟，對(duì)AT 指令的返回信息進(jìn)行解析，判斷基站是否接收指令成功，如果電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)有下發(fā)命令，也會(huì)通過(guò)返回信息給出。此時(shí)提取出下發(fā)命令信息寫入微控制單元的FLASH 中，每一次數(shù)據(jù)采集結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)判斷平臺(tái)是否下發(fā)命令，“是”則寫入新命令，“否”則執(zhí)行之前的命令。進(jìn)入停止模式前先校對(duì)控制系統(tǒng)的時(shí)間，然后再設(shè)置鬧鐘中斷。

上述所有功能，在工作完成后馬上關(guān)閉以省電。鬧鐘中斷喚醒系統(tǒng)后進(jìn)行軟復(fù)位，回到起點(diǎn)。前述算法在圖4 流程圖中已有呈現(xiàn)。

具體思路為：終端向基站發(fā)送聯(lián)網(wǎng)AT 指令，并對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)解析，判斷是否聯(lián)網(wǎng)成功，“是”繼續(xù)向下執(zhí)行，“否”判斷聯(lián)網(wǎng)次數(shù)；判斷聯(lián)網(wǎng)次數(shù)是否大于3，“否”重復(fù)上述過(guò)程，“是”自動(dòng)發(fā)送獲取基站信號(hào)AT 指令，對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)解析；獲取基站當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度和信噪比兩個(gè)數(shù)值，判斷是否達(dá)到NB?IoT 模塊工作要求，“是”終端軟復(fù)位，重復(fù)上述過(guò)程，“否”終端進(jìn)入10 min 休眠時(shí)間；喚醒后重復(fù)上述過(guò)程，如果信號(hào)還是達(dá)不到NB?IoT 模塊工作要求，終端休眠時(shí)間加10 min，重復(fù)上述過(guò)程；當(dāng)休眠時(shí)間增加到1 h，終端按1 h 時(shí)間間隔喚醒，重復(fù)上述過(guò)程。

此算法的加入極大地增加了終端在較差信號(hào)環(huán)境下的使用壽命，為應(yīng)用于特殊環(huán)境下的低功耗監(jiān)測(cè)終端處理信號(hào)不佳的問(wèn)題提供了方案。

3.2 平臺(tái)設(shè)備接入軟件設(shè)計(jì)

電信IoT 開(kāi)放平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)主要包括profile 文件的編寫及編解碼插件的編寫等。平臺(tái)設(shè)備接入流程如圖5 所示。

圖5 平臺(tái)設(shè)備接入流程

在平臺(tái)獲取賬號(hào)和密碼后登錄平臺(tái)并創(chuàng)建應(yīng)用，將獲得的應(yīng)用ID 和密碼保存，以供后續(xù)人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用。在線編寫profile 文件，完成后上傳文件，此文件向平臺(tái)說(shuō)明接入設(shè)備所具備的服務(wù)能力、服務(wù)所具備的屬性、下發(fā)命令種類以及命令參數(shù)。在線編寫編解碼插件后進(jìn)行安裝，由于NB?IoT 設(shè)備一般對(duì)省電要求較高，所以數(shù)據(jù)一般不采用json 格式，而是采用二進(jìn)制或者tlv 格式。編解碼插件的編寫及安裝可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)二進(jìn)制消息轉(zhuǎn)化為json 格式，方便后續(xù)人機(jī)交互系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

上述任務(wù)完成后只需注冊(cè)、綁定設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳和更改設(shè)備采集頻率命令的下發(fā)。

3.3 人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括客戶移動(dòng)端、Web 端和本地展示系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)功能包括用戶管理、命令下發(fā)、數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式（數(shù)字顯示或曲線）等。人機(jī)交互軟件的數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)時(shí)間戳都是通過(guò)調(diào)用電信IoT 開(kāi)放平臺(tái)的API 獲取，兩者采用HTTPS 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，安全可靠，采用Java 作為調(diào)用API 數(shù)據(jù)的編程語(yǔ)言。移動(dòng)端軟件開(kāi)發(fā)采用HTML5 編程語(yǔ)言。

圖6 為移動(dòng)端人機(jī)交互界面。

圖6 移動(dòng)端人機(jī)交互界面

Web 端軟件開(kāi)發(fā)采用HTML5、CSS3 和JavaScript 編程語(yǔ)言，圖7 為Web 端人機(jī)交互界面。

圖7 Web 端人機(jī)交互界面

4 數(shù)據(jù)采集終端性能測(cè)試及分析

4.1 終端耗電量測(cè)試

耗電量測(cè)試是為了合理估計(jì)鋰亞電池的容量，需記錄終端完成一次工作和休眠時(shí)的電流大小及時(shí)長(zhǎng)，再根據(jù)總時(shí)長(zhǎng)計(jì)算得出總運(yùn)行狀態(tài)下電池的應(yīng)有容量。運(yùn)行狀態(tài)下終端的總耗電量，可由式（1）計(jì)算：

式中：Calto為終端運(yùn)行狀態(tài)下的總耗電量；Caltw為終端工作時(shí)的總耗電量；Calts為終端休眠時(shí)的總耗電量，單位為A·h。

通過(guò)在微控制系統(tǒng)中串入電流表，得到終端工作時(shí)每次所需平均電流為75 mA，周期為22～30 s，以30 s 為工作周期。終端休眠時(shí)每次所需平均電流為66 μA，周期為450～3 600 s，以450 s 為休眠周期?？傔\(yùn)行時(shí)長(zhǎng)超過(guò)2 年，以800 天為目標(biāo)。

終端工作時(shí)的總耗電量為：

式中：Iwork為終端工作電流，單位為A；Tw為終端工作周期，單位為h；nalt為總次數(shù)。

終端休眠時(shí)的總耗電量為：

式中：Isleep為終端休眠電流，單位為A；Ts為終端休眠周期，單位為h。

由此可知，終端運(yùn)行狀態(tài)下的總消耗量為：

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)電池深度放電系數(shù)[14]α為80%，則電池容量為：

式中：Caltp為工程應(yīng)用中總耗電量，單位為A·h；α為電池放電系數(shù)。

最終，選取了能夠使系統(tǒng)運(yùn)行超過(guò)800 天，總?cè)萘繛?40 A·h 的ER321245 型鋰亞柱式電池。

4.2 終端丟包率測(cè)試

終端丟包率是衡量無(wú)線傳感終端數(shù)據(jù)傳輸性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。試驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集層定時(shí)器以5 min 為采集數(shù)據(jù)間隔時(shí)間，共采集500 組數(shù)據(jù)包，利用本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)接收到的數(shù)據(jù)包并計(jì)算監(jiān)測(cè)終端丟包率。另外，由開(kāi)放平臺(tái)向數(shù)據(jù)采集層下發(fā)100 組更改采集頻率數(shù)據(jù)包，在平臺(tái)統(tǒng)計(jì)下發(fā)送成功數(shù)據(jù)包數(shù)量并計(jì)算丟包率。

測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 各監(jiān)測(cè)終端丟包率測(cè)試結(jié)果

表1 測(cè)試結(jié)果表明：2 號(hào)、3 號(hào)終端存在少量丟包率，對(duì)比各終端接收到的基站信號(hào)強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，由于這兩口窨井的井蓋是金屬材質(zhì)，相比水泥材質(zhì)信號(hào)屏蔽效果更好，檢測(cè)到的接收信號(hào)也較弱，由此可知丟包率與終端接收信號(hào)強(qiáng)度成反比。整體而言，各終端平均丟包率小于1%，通信較為穩(wěn)定，能夠滿足窨井環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和NB?IoT 技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套窨井水質(zhì)低功耗在線檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多路傳感器獲取窨井內(nèi)水質(zhì)、水位和井蓋狀態(tài)信息，并通過(guò)NB?IoT 通信技術(shù)將信息上傳電信物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，基于平臺(tái)完成Web 端和移動(dòng)端人機(jī)交互平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。實(shí)地應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功耗低、可靠性強(qiáng)、建設(shè)成本合理，能夠有效地為城市排水設(shè)施水質(zhì)監(jiān)測(cè)和井蓋管理提供保障，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中取得了良好的效果。