面向智慧城市的窨井蓋安全系統(tǒng)設(shè)計

王麗萍，劉 磊，曾 聰，肖思維

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 計算機與通信工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，湖南 長沙 410114）

0 引 言

隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，其逐漸成為了5G時代物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。利用NB-IoT技術(shù)將感知層獲取到的狀態(tài)信息接入云平臺，推動著人與物之間和物與物之間的相互連接和通信[1-2]。本系統(tǒng)構(gòu)建了一個基于NBIoT技術(shù)且可接入云平臺的智慧城市窨井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)。傳統(tǒng)井蓋無法分辨出每個井蓋所處的具體位置，與傳統(tǒng)井蓋不同的是，本系統(tǒng)每個井蓋都有自己單獨的ID，能夠便捷地確定井蓋的實時位置。系統(tǒng)利用NB-IoT模組、采集控制器信息服務(wù)器和相關(guān)應(yīng)用程序，通過傳感器感知井蓋的振動移位信息以及井下的甲烷濃度情況。通過感知節(jié)點，將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，工作人員可以隨時隨地通過云平臺查詢井蓋的狀態(tài)，從而做出判斷。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 設(shè)計思路

圖1所示為智慧城市窨井蓋系統(tǒng)接入云平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計思路。系統(tǒng)可分為4層：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計思路

（1）井蓋狀態(tài)感知層由主控芯片、傳感器組成；

（2）通信層基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，信息經(jīng)由通信模塊和數(shù)據(jù)中心上傳至基站和服務(wù)器；

（3）應(yīng)用服務(wù)層通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺將采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理和存儲；

（4）用戶層通過電腦端或手機端顯示相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.2 窨井蓋狀態(tài)感知終端節(jié)點硬件設(shè)計

窨井蓋狀態(tài)感知終端節(jié)點包括主控制模塊、通信模塊以及感知模塊。如圖2所示，采用STM32單片機作為整個硬件部分的主控制器。STM32主要用于完成與傳感器模塊和通信模塊之間的數(shù)據(jù)接收和傳輸。傳感器模塊選用兩類傳感器，分別是傾斜角度傳感器和可燃氣體（甲烷）傳感器。通信模塊用于感知模塊信息的無線上傳與定位。

圖2 窨井蓋狀態(tài)感知節(jié)點硬件組成

1.2.1 主控制模塊電路設(shè)計

感知終端節(jié)點主控制系統(tǒng)需要一個低功耗、低成本、較高性能的芯片作為主控制器[3]。結(jié)合本設(shè)計場景，最終采用了以ARM Cortex-M為內(nèi)核的STM32系列中的STM32F103C8T6芯片作為本系統(tǒng)的微控制器。該芯片程序儲存器容量為64 KB，工作電壓為2～3.6 V，可在-40～85 ℃的環(huán)境下工作；具有低耗電、低電壓的特點，對工作環(huán)境要求低，適用于智慧城市的復(fù)雜道路環(huán)境。

1.2.2 傾斜角度傳感器模塊的設(shè)計

傾斜角度傳感器模塊采用的是GY-25和MPU6050，該模塊尺寸小、性價比高，是串口輸出格式；同時測量范圍大，能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。

該模塊命令字節(jié)有5種由外部控制器發(fā)送至模塊（十六進制）的模式，分別是：查詢模式、自動模式、輸出模式、校正模式、結(jié)束模式。在模塊保持水平時能校正；在傾斜時，能夠返回其角度值，還可以清零[4]。

1.2.3 可燃氣體傳感器模塊的設(shè)計

由于井下可燃氣體主成分是甲烷，本系統(tǒng)采用的是甲烷傳感器MQ-4。傳感器的電導(dǎo)率隨周圍環(huán)境中可燃氣體濃度的變化而變化，濃度越高電壓越高，具有信號輸出指示，TTL輸出有效信號為低電平[5]。該傳感器需要搭配ADC0809芯片使用，它的內(nèi)部具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕⒁粋€5 V供電電源和8位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

1.3 NB-IoT模塊

為了能夠及時獲取井蓋的相關(guān)信息，便于管理者及時到達井蓋的所處位置進行排障處理，需要對其進行追蹤。系統(tǒng)選擇SIM7000C模塊，該模塊自帶電源，基于高通MDM9206平臺，支持NB-IoT，功耗超低，采用小型化封裝。支持自彈式Micro SIM卡座及SIM卡，無需增加轉(zhuǎn)換電路，模塊自帶網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈。SIM7000C的配套天線是有源GPS天線，使用USB接口，用于測試AT和獲取定位信息。

1.4 系統(tǒng)云平臺

選擇由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET作為本系統(tǒng)的云平臺。OneNET 平臺能快速完成產(chǎn)品的注冊，實現(xiàn)設(shè)備接入；開發(fā)模板豐富，案例充足；支持多種協(xié)議，能夠接入各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，滿足各種跨平臺服務(wù)需求[6-8]。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)終端主程序設(shè)計

獲取數(shù)據(jù)、存儲獲取的數(shù)據(jù)、處理和傳輸數(shù)據(jù)是節(jié)點終端需要實現(xiàn)的主要軟件需求[9]。具體軟件要求如下：

（1）數(shù)據(jù)收集：需要收集井蓋傾斜程度以及井下的甲烷濃度信息。

（2）數(shù)據(jù)存儲：先將數(shù)據(jù)存儲一段時間，簡單分析處理后直接上傳到云平臺，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，有利于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

（3）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)不同傳感器傳輸?shù)牟煌瑪?shù)據(jù)，分別進行處理。

（4）數(shù)據(jù)傳輸：節(jié)點終端中主控芯片STM32F103C8T6通過串口對通信模塊進行配置，當(dāng)它連接到網(wǎng)絡(luò)時，按照EDP協(xié)議連接到OneNET云平臺服務(wù)器。

（5）數(shù)據(jù)顯示：每一個終端節(jié)點也就是井蓋的相關(guān)信息都會在云平臺和手機APP中顯示，包括每一個井蓋歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)信息。

2.2 接入OneNET 平臺

將模組接入OneNET平臺時，需要完成如下平臺側(cè)和模組側(cè)的對接配置工作：

（1）平臺側(cè)流程—產(chǎn)品創(chuàng)建與設(shè)備注冊。首先創(chuàng)建EDP（Embedded，嵌入式DisplayPort）產(chǎn)品，然后創(chuàng)建EDP設(shè)備，最后進行設(shè)備管理。

（2）模組側(cè)流程—初始化模組及實體配置模組側(cè)設(shè)備。首先初始化模組駐網(wǎng)，創(chuàng)建實體設(shè)備，進行對象和資源設(shè)置，之后請求登錄，從而上報結(jié)果，實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)收發(fā)。

平臺利用數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)點來組織設(shè)備上行數(shù)據(jù)，設(shè)備須以Key-Value的格式上傳數(shù)據(jù)；用戶可以將相關(guān)性較高的數(shù)據(jù)歸類為一個數(shù)據(jù)流，并自定義其數(shù)據(jù)范圍，數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)在存儲的同時可以“流向”后續(xù)服務(wù)[10-11]。平臺會默認(rèn)以時序存儲數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)，從而可以查詢不同時間的數(shù)據(jù)點的值。用戶通過采用MIPLNOTIFY指令進行數(shù)據(jù)上報。數(shù)據(jù)上報流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)上報流程

數(shù)據(jù)下發(fā)流程：平臺下發(fā)操作指令，模組接收到指令后發(fā)給 MCU，MCU執(zhí)行響應(yīng)和實現(xiàn)相關(guān)操作流程。本流程需要傳感器、MCU、模組、平臺相互配合進行操作。如果下發(fā)數(shù)據(jù)后，規(guī)定時間內(nèi)平臺沒有收到數(shù)據(jù)回復(fù)，將會反饋操作超時，須及時響應(yīng)反饋操作。

在設(shè)備管理流程中可以使用的幾種操作分別是：Discover操 作、Read操 作、Write操 作、Execute操 作、Write-Attributes操作以及Observe操作。如圖4所示，操作設(shè)備發(fā)送請求到平臺側(cè)，平臺側(cè)接收信息并做出回應(yīng)，發(fā)送對應(yīng)操作請求，設(shè)備收到指令后，執(zhí)行操作，用戶檢查執(zhí)行結(jié)果。

圖4 設(shè)備管理流程

3 系統(tǒng)調(diào)試驗證

本系統(tǒng)的節(jié)點終端通電之后，甲烷傳感器模塊、通信模塊和主控制模塊的報警指示燈會亮；NB-IoT模塊通過報警指示，可觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。同時在登錄OneNET云平臺之后，通過開發(fā)者中心可以看到聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上線，圖5為設(shè)備狀態(tài)云平臺查詢界面。

圖5 云平臺查詢界面

可燃氣體測試系統(tǒng)如圖6所示，在手機APP端可以看到關(guān)于氣體指示的圖標(biāo)由綠色變成了紅色。最終，在電磁干擾和模擬惡劣天氣條件下，系統(tǒng)經(jīng)過測試，性能穩(wěn)定，可以適應(yīng)日常智慧城市應(yīng)用場景。

圖6 可燃氣體測試

4 結(jié) 語

根據(jù)當(dāng)前智慧城市窨井蓋安全檢測的需求，本設(shè)計盡可能實現(xiàn)終端節(jié)點的低功耗優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)要求，從低成本、高能效等方面考慮，選擇主控芯片并進行外圍接口電路設(shè)計。在功能上，系統(tǒng)通過NB-IoT模組接入OneNET云平臺，進行窨井蓋危險狀態(tài)監(jiān)控，便于用戶查看；遇到異常情況，及時通知路政管理人員排除危險，促進智慧城市重要設(shè)施的安全管理。