基于NB-IoT的野外警示牌防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙青 曾天橋 顏君凱 周欣

摘要：針對落地式警示牌遭到人為破壞和遺失造成的資產(chǎn)損失，以及界定主體單位承擔(dān)不必要事故責(zé)任的問題，設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的野外警示牌防盜報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對警示牌的精確定位和防盜報(bào)警，搭建了野外警示牌信息管理平臺。系統(tǒng)具有高穩(wěn)定、高精度、長續(xù)航優(yōu)勢，有重要的推廣前景和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：警示牌；窄帶物聯(lián)網(wǎng)；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；MySQL數(shù)據(jù)庫；信息管理平臺

中圖分類號：TP27文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）20-69-4

0引言

如今是人工智能的時代，人工智能已經(jīng)滲透到人們生產(chǎn)和生活的每一個角落。顯然，與智慧城市密切相關(guān)的警示牌管理系統(tǒng)也不例外[1]。警示牌是一種通過標(biāo)語提醒來保障人員生命安全的公共設(shè)施，區(qū)別于城鎮(zhèn)街道上的各類警示牌，野外警示牌因地理環(huán)境特殊，經(jīng)常遭到人為破壞和偷盜。揚(yáng)州輸電運(yùn)檢室每年新增警示牌上千塊，大部分是遺失增補(bǔ)。警示牌遺失一方面造成公司資產(chǎn)損失，另一方面當(dāng)發(fā)生安全事故后，現(xiàn)場缺少警示牌將使公司承擔(dān)不必要的事故責(zé)任。

因此，有必要構(gòu)建一種警示牌防盜報(bào)警系統(tǒng)。警示牌無需頻繁移動，數(shù)據(jù)量小，由于其本身低價的特點(diǎn)決定了系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)成本低、功耗小、壽命長、免維護(hù)[2]。IoT應(yīng)用是新興的技術(shù)應(yīng)用之一，被認(rèn)為是多個行業(yè)和公用事業(yè)的關(guān)鍵數(shù)字轉(zhuǎn)型推動者[3]。而NB-IoT最初就被設(shè)想為適用于移動性支持不強(qiáng)的應(yīng)用場景，這為面向云端的野外警示牌防盜報(bào)警系統(tǒng)提供了很好的解決方案[4]。NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持海量連接，有深度覆蓋能力，功耗低，適合傳感、計(jì)量、監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[5]。

本文構(gòu)建了一種基于NB-IoT的野外警示牌防盜報(bào)警系統(tǒng)，通過NB-IoT技術(shù)，系統(tǒng)將采集到的各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，并保存在MySQL數(shù)據(jù)庫中，通過信息管理平臺，運(yùn)維人員可以實(shí)現(xiàn)對野外警示牌的統(tǒng)一監(jiān)管。

1野外警示牌防盜報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)

野外警示牌防盜報(bào)警系統(tǒng)具備信息采集、無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲以及遠(yuǎn)程管理的功能，該系統(tǒng)分為感知層、通信層和應(yīng)用層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

第1層為感知層，位于NB-IoT的最底層，是所有上層架構(gòu)與服務(wù)的基礎(chǔ)[6]。編碼后的數(shù)據(jù)通過MCU串口以AT命令的形式發(fā)送到NB模塊，NB-IoT芯片在接收到AT命令后[7]，將傳感器采集到的警示牌經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)經(jīng)NB-IoT基站發(fā)送至云服務(wù)器；第2層為通信層，通過實(shí)時監(jiān)聽云服務(wù)器的接收端口，將監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)流保存在MySQL數(shù)據(jù)庫中；第3層為應(yīng)用層，通過搭建信息管理平臺，運(yùn)維人員可以實(shí)時查看警示牌位置信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

野外警示牌防盜系統(tǒng)由電源模塊、STM32微控制器模塊、陀螺儀模塊、NB-IoT模塊和GNSS定位模塊構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

STM32微控制器作為主控單元，連接其他各個模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；NB-IoT模塊采用集成NB-IoT和GNSS的多功能無線通信模組BC20[2]，內(nèi)置的GNSS定位模塊可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度信息的采集；電源模塊為STM32微控制器、陀螺儀模塊以及NB-IoT模塊，提供工作電源。主控單元在獲取到定位數(shù)據(jù)以及陀螺儀數(shù)據(jù)后，使用AT命令將數(shù)據(jù)通過NB-IoT基站傳輸至云服務(wù)器。

2.1 STM32微控制器模塊

微控制器模塊選用STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片的工作頻率可達(dá)72 MHz，外設(shè)資源豐富、性能穩(wěn)定。控制器外部連接電源電路、晶振電路和復(fù)位電路組成最小工作系統(tǒng)。根據(jù)硬件系統(tǒng)各模塊的功能要求，對I/O引腳進(jìn)行分配，部分功能引腳如表1所示。

2.2電源模塊

電源模塊選用太陽能板來保證系統(tǒng)長久續(xù)航，初始電壓經(jīng)過太陽能充電管理芯片CN3791降壓到4.2 V后，對3.7 V鋰電池進(jìn)行充電，同時設(shè)計(jì)了鋰電池過充保護(hù)電路，電池充滿后會停止充電，延長鋰電池壽命。系統(tǒng)通過穩(wěn)壓芯片輸出3.3 V電壓為各個模塊供電。

2.3陀螺儀模塊

MPU6050傳感器是全球首例9軸運(yùn)動處理傳感器芯片，它集成有三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速計(jì)，以及一個可供擴(kuò)展的數(shù)據(jù)運(yùn)動處理器DMP[8]。野外警示牌內(nèi)的陀螺儀模塊同時檢測野外警示牌的方向、方向和方向的角速度，并通過串口將角速度數(shù)據(jù)傳輸給STM32微控制器。通過角速度的定量分析對警示牌的位置狀態(tài)進(jìn)行定性判斷。若警示牌被人為破壞，即角速度超出設(shè)定閾值時，系統(tǒng)立即向運(yùn)維人員發(fā)送報(bào)警信息。

陀螺儀模塊的引腳與STM32微控制器連接如圖3所示。MPU6050傳感器檢測軸如圖4所示。