基于NB-IoT的智能井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張 帆，鄭雪瑩，張赫庭，熊憲波，楊 花，劉 燕，陳興文

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,遼寧 大連116600)

隨著城市功能的日益完善和現(xiàn)代化程度的不斷提升，市政、電力、電信、排水等各種公共基礎(chǔ)設(shè)施和官網(wǎng)的集中化和地下化的發(fā)展已經(jīng)勢(shì)不可擋，井蓋及井下設(shè)施的安全運(yùn)維已經(jīng)成為城市安全的重大隱患。隨著5G通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))技術(shù)由于具有低功耗、大面積覆蓋、強(qiáng)鏈接通信的特點(diǎn)，以及能與大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)有機(jī)融合，已經(jīng)在生產(chǎn)生活中廣泛推廣和使用。本文結(jié)合NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)上傳井蓋信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可有效解決市政部門為地下管網(wǎng)安全所付出的人力物力巡查成本，也可以對(duì)城市管網(wǎng)運(yùn)維的安全性提供實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：后臺(tái)管理系統(tǒng)、基于NB-IoT技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊和安裝在井蓋上的數(shù)據(jù)采集模塊。該系統(tǒng)通過(guò)STM32微處理器對(duì)井蓋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分別利用超聲波液位、溫濕度和可燃?xì)怏w等傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)井下的水位、溫度、濕度及可燃?xì)怏w濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和環(huán)境變化情況；同時(shí)使用姿態(tài)傳感器對(duì)地表井蓋狀態(tài)(松動(dòng))監(jiān)測(cè)。最后采用NB-IoT技術(shù)，將采集的井蓋采集端數(shù)據(jù)信息通過(guò)NB-IoT模塊由云平臺(tái)上傳到管理終端。管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解并查看井蓋信息，處理報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)井蓋的智能化管理。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 井蓋采集端硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件以STM32F103C8T6微處理器芯片作為核心，外圍電路由數(shù)據(jù)采集模塊及NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。由于STM32F103微處理器屬于中低端的32位ARM微處理器，內(nèi)核為Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz，具有2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、3個(gè)通用定時(shí)器，多達(dá)9個(gè)通信接口，可以滿足井下多類型傳感器接口的功能需求。

圖2 井蓋采集端硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器采集接口設(shè)計(jì)說(shuō)明

數(shù)據(jù)采集模塊由溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、超聲波液位傳感器以及姿態(tài)傳感器構(gòu)成。

溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度復(fù)合傳感器，其內(nèi)部具有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并且與一個(gè)高性能的單片機(jī)連接，因此具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[1]。該模塊的DATA口與STM32微處理器的PA2口相連，實(shí)時(shí)測(cè)量井下溫濕度。

可燃?xì)怏w傳感器采用MQ-2煙霧傳感器，MQ-2對(duì)各種常見(jiàn)的可燃?xì)怏w靈敏度較高，如丙烷、甲烷、一氧化碳等，對(duì)氣體可燃蒸汽的檢測(cè)也較為靈敏[2]。當(dāng)井下可燃?xì)怏w濃度升高，傳感器的電導(dǎo)率增大，STM32使用通用I/O口PA3將電導(dǎo)率AD轉(zhuǎn)換為可燃?xì)怏w濃度值。

姿態(tài)傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)井蓋是否松動(dòng)以及角度變化的情況，這里采用MPU6050陀螺儀傳感器。MPU6050能夠?qū)崿F(xiàn)1000 Hz采樣頻率，采樣數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在內(nèi)部寄存器中,能夠?qū)崟r(shí)更新及讀取。由于MPU6050采用I2C協(xié)議通訊，這里STM32的PB10、PB11分別與MPU6050的SCL、SDA連接，可輸出X,Y,Z軸的角速度[3]。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)分析，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井蓋是否松動(dòng)或者被人為挪走情況的發(fā)生。

2.2 通信傳輸模塊接口設(shè)計(jì)

NB-IoT主要實(shí)現(xiàn)將井蓋采集端的微處理器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)的功能。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，可使用具有低功耗、大面積覆蓋、強(qiáng)鏈接通信等特點(diǎn)的NB-IoT BC28模組，模組采用USART協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。STM32微處理器的PA9、PA10分別與NB-IoT模組的TX、RX相連，使用AT命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，波特率設(shè)置為9600 b/s。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的思路編寫(xiě)，分為下層采集信息的軟件設(shè)計(jì)和上層數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)。

3.1 井蓋采集端軟件設(shè)計(jì)

井蓋采集端軟件設(shè)計(jì)主要包括：主程序、數(shù)據(jù)采集模塊的程序，主程序流程圖如圖3所示。首先進(jìn)行串口、定時(shí)器以及各模塊的初始化，再對(duì)NB-IoT初始化，當(dāng)NB-IoT模組與網(wǎng)絡(luò)鏈接成功后，各模塊采集數(shù)據(jù)可通過(guò)NB-IoT向后臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)成功后會(huì)反饋到NB-IoT模塊，NB-IoT模塊繼續(xù)向后臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 主程序流程圖

圖4為主函數(shù)中的井蓋端數(shù)據(jù)采集程序片段截圖。當(dāng)MQ-2沒(méi)檢測(cè)到可燃?xì)怏w時(shí)，yanwu為1，否則為0；當(dāng)未檢測(cè)到可燃?xì)怏w時(shí)，利用DMP讀取MPU6050的pitch、roll、yaw數(shù)據(jù)，獲得溫度、加速度以及陀螺儀數(shù)據(jù)；通過(guò)HC-SR04得到距水面的距離，再通過(guò)DHT11獲取溫濕度值，oled顯示數(shù)據(jù)信息，通過(guò)NB-IoT上傳溫濕度信息，如果檢測(cè)到可燃?xì)怏w將顯示“Warning!!!!!!”。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序

3.2 管理終端軟件設(shè)計(jì)

管理終端軟件主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)水位、溫濕度、傾斜度及可燃?xì)怏w濃度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使用NB-IoT模塊AT命令即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。在這里利用NB-IoT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)NB-IoT實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)信息上傳到網(wǎng)頁(yè)版華為云，使得管理終端具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可隨時(shí)回看井蓋信息，實(shí)時(shí)處理井蓋警告信息等。華為云是一種基于瀏覽器的云管理平臺(tái)，可以滿足多個(gè)同產(chǎn)品設(shè)備的接入，可以實(shí)現(xiàn)自助服務(wù)方式，為用戶提供云計(jì)算IT基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，具有成本低、彈性靈活、安全等特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都需要用網(wǎng)關(guān)匯聚采集終端的數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)主要以NB-IoT技術(shù)在城市市政領(lǐng)域的應(yīng)用研究以及安全運(yùn)維檢測(cè)為研究背景，設(shè)計(jì)了一套以NB-IoT窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)是集多傳感器采集、無(wú)線傳輸以及管理終端數(shù)據(jù)分析為一體的云端智能監(jiān)控平臺(tái)。該系統(tǒng)能夠有效為市政公共設(shè)施提供網(wǎng)絡(luò)化、智能化和實(shí)施監(jiān)測(cè)，可以大大減少人力物力成本。