基于NB-IoT和OTA的云上智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙靜靜，田延飛

（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人工智能學(xué)院，浙江 溫州 325003；2.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022）

0 引言

城市基建事業(yè)高速發(fā)展，地下管線井、污水井等井蓋數(shù)量急劇上升，井蓋丟失、塌陷和井下溢水等現(xiàn)象造成的安全事件頻發(fā)，傳統(tǒng)井蓋以人工巡檢為主，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)井蓋異常信息，且人力維護(hù)成本較高，人員監(jiān)督管理較難［1-2］，也不符合智慧城市發(fā)展理念。

智慧井蓋作為智慧城市的重要一環(huán)，有著舉足輕重的地位。近年來針對井蓋智能監(jiān)測的問題，已有人提出了不同解決方案，張宏偉［3］等提出的基于單片機(jī)的智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)了井蓋姿態(tài)、溫度、水位等感器數(shù)據(jù)的采集設(shè)計(jì)，提到使用無線通信模塊進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的發(fā)送，但具體使用的通信技術(shù)沒有明確指出。劉雪亭等［4-5］采用遠(yuǎn)距離無線電（LoRa，long range radio）通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能井蓋系統(tǒng)，其使用LoRa技術(shù)進(jìn)行通信，終端將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后再上傳到云平臺，但LoRa技術(shù)需要部署網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并制定相應(yīng)的協(xié)議棧，增加了開發(fā)成本。朱代先［6］和孫鋼燦［7］等分別提出使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT，narrow band internet of things）技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能井蓋監(jiān)測，此協(xié)議不需要部署網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，直接利用電信基站完成數(shù)據(jù)上報(bào)至服務(wù)器，但他們都沒有提到后期固件升級等維護(hù)方面的問題。

本文在利用NB-IoT技術(shù)通過電極溢水、浮球式等方式采集實(shí)現(xiàn)智能井蓋位置、姿態(tài)、電極溢水、水位等監(jiān)測信息的同時(shí)，使用空中下載技術(shù)（OTA，over-the-air technology）對固件進(jìn)行升級，并使用微服務(wù)架構(gòu)完成監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)端的開發(fā)，借助云平臺和移動終端等實(shí)現(xiàn)智慧井蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而提高管理效率，降低管理與維護(hù)成本。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等為代表的新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化管理提供了一個全新的平臺［8-9］。本文所設(shè)計(jì)的云上智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一般由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成［10］?？紤]到業(yè)務(wù)功能的多樣性、系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)時(shí)從應(yīng)用層中抽取出平臺層，利用微服務(wù)為應(yīng)用層提供服務(wù)，應(yīng)用層僅用于信息展示與用戶交互，如圖1所示。感知層由多個井蓋終端組成，用于完成井蓋位置、姿態(tài)、水位等數(shù)據(jù)采集工作，由NB模塊通過基站網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)上傳至云平臺。平臺層提供終端數(shù)據(jù)的處理、設(shè)備的管理，用戶管理等監(jiān)控管理工作，應(yīng)用層負(fù)責(zé)將相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在電腦或者移動端。為保證數(shù)據(jù)安全，所有數(shù)據(jù)存儲于本地的MySql數(shù)據(jù)庫服務(wù)中。

圖1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)功能介紹

本監(jiān)控系統(tǒng)旨在利用信息技術(shù)提高城市的管理水平，有效排除因井蓋位移等因素造成的安全隱患。系統(tǒng)提供如圖2所示的功能。1）設(shè)備運(yùn)營：利用井蓋終端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，包括井蓋位置、井蓋姿態(tài)、水位和溢水等自身及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示與預(yù)警提示；2）設(shè)備管理：設(shè)置管理哪些終端，查看終端是否聯(lián)網(wǎng)在線，對終端進(jìn)行OTA 遠(yuǎn)程升級管理；2）工單管理：根據(jù)監(jiān)測預(yù)警信息，對位置發(fā)生偏移、水位超過閥值等的井蓋進(jìn)行任務(wù)派發(fā)，運(yùn)維人員利用移動APP 完成現(xiàn)場確認(rèn)、處理及驗(yàn)收等工作；4）設(shè)備巡檢：定期下發(fā)巡檢任務(wù)，由運(yùn)維人員巡檢后，上報(bào)巡檢結(jié)果；5）系統(tǒng)管理：驗(yàn)證用戶是否有權(quán)限登錄，管理員可對普通用戶進(jìn)行角色權(quán)限設(shè)置。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 設(shè)計(jì)原則

1.3.1 終端的低功耗

終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循低功耗設(shè)計(jì)原則［11］，設(shè)計(jì)包括選擇本身具有超低功耗的微控制單元（MCU，microcontroller unit）、與MCU 工作電源相匹配的外圍器件，設(shè)計(jì)節(jié)省功耗的電源管理及低功耗的系統(tǒng)運(yùn)行管理等。

1.3.2 監(jiān)測的智能化

終端可以放在任何有網(wǎng)絡(luò)信號的地方，使其不受空間或者地域限制，通過對井蓋的狀態(tài)及井下的水位等狀態(tài)提供實(shí)時(shí)的監(jiān)測，保證管理員不需到達(dá)現(xiàn)場便可以隨時(shí)查看狀態(tài)、及時(shí)掌握相關(guān)情況，并對其進(jìn)行合理化管理，減少運(yùn)維成本。

1.3.3 系統(tǒng)的健壯性

充分考慮系統(tǒng)可能面臨的異常情況，當(dāng)終端等硬件發(fā)生故障、操作失誤以及輸入不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)等異常情況下，系統(tǒng)能有針對性且合理的處理方式。

1.3.4 數(shù)據(jù)的安全性

系統(tǒng)要求能夠保證終端傳輸數(shù)據(jù)不被篡改，同時(shí)保證系統(tǒng)用戶信息、用戶權(quán)限、操作等多方面的安全要求，對密碼等敏感信息進(jìn)行加密，且能夠及時(shí)處理安全漏洞，以提升安全性能。

1.3.5 功能的可擴(kuò)展性

能夠在現(xiàn)有的硬件或軟件基礎(chǔ)上，以最小的影響進(jìn)行功能擴(kuò)展和能力提升。終端預(yù)留擴(kuò)展槽以方便監(jiān)測功能的擴(kuò)展，終端系統(tǒng)留有升級接口和升級空間；監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通過減少依賴和耦合等方式達(dá)到代碼擴(kuò)展等擴(kuò)展性需求。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 主控制模塊

通過對項(xiàng)目功能和性能等方面需求進(jìn)行分析，從成本價(jià)格、功耗情況及實(shí)用性等方面進(jìn)行考慮，最終選擇國產(chǎn)低功耗藍(lán)牙MCU HS6621。HS6621 芯片擁有32 位ARM處理器，其最高主頻可達(dá)144MHz，在sleep模式下功耗僅為4μA。

終端整體硬件架構(gòu)基于HS6621 MCU 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，采用可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)，預(yù)留擴(kuò)展口，支持?jǐn)U展浮球式水位檢測、投入式水位檢測、溫濕度傳感器，氣體傳感器，GPS等功能，HS6621硬件設(shè)計(jì)方案框架如圖3所示。終端與服務(wù)器通信時(shí)，由MCU 充當(dāng)透明傳輸，與NB-IoT 模塊直接進(jìn)行通信。

圖3 HS6621硬件設(shè)計(jì)方案框架圖

2.2 NB-IoT模塊

NB-IoT是指窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是一種新興技術(shù)，與ZigBee和LoRa等短距離無線通信技術(shù)相比，NB-IoT 具有明顯優(yōu)勢［12］，它采用低功率廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN，lowpower wide-area network）技術(shù)，成本低、功耗少，提供運(yùn)營商頻段，不需要通過網(wǎng)關(guān)可直接將采集的數(shù)據(jù)上傳到云端，簡化現(xiàn)場部署。

本文NB 模組選用LCC 封裝的高新興物聯(lián)GM120 模組，其具有低速率、低功耗、遠(yuǎn)距離和海量連接等特點(diǎn)。該模組支持TCP、UDP和OneNET 平臺等功能，可提供最大62.5kbps上行速率和21.25kbps下行速率，為與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信提供保障。硬件上，該模組采用XY100 芯片，提供2 個UART 接口、SIM／eSIM 接口、主天線接口等，設(shè)計(jì)時(shí)通過UART1串口與HS6621進(jìn)行通信，NB 模組硬件電路如圖4所示。電路圖中，18號引腳WAKEUP＿IN默認(rèn)高電平，當(dāng)收到信號后，拉低此引腳喚醒模組，16號WAKEUP＿IN 用于喚醒主機(jī)信號，當(dāng)收到下行數(shù)據(jù)后，可通過該信息發(fā)出提示。模組工作電壓范圍為3.1～4.2V之間，本項(xiàng)目選擇使用3.3V。

圖4 NB模組硬件電路圖

GM120主要有三種模式，分別為Connected mode正常工作模式、Idle mode空閑模式和PSM 省電模式。在PSM狀態(tài)下電流僅為700nA，為降低功耗，當(dāng)HS6621進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，會向NB模組發(fā)送關(guān)機(jī)脈沖，通知NB模組進(jìn)入PSM 省電模式；當(dāng)HS6621有數(shù)據(jù)需要上報(bào)時(shí)，給NB 模組發(fā)送喚醒指令，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給NB模組由該模組進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)給云平臺后，如過一段時(shí)間還末收到HS6621發(fā)來的休眠指令，則自動進(jìn)入PSM 模式。

2.3 姿態(tài)監(jiān)控模塊

姿態(tài)監(jiān)測主要利用設(shè)備重力加速度X、Y和Z三個方向的變化，計(jì)算井蓋與水平方向的夾角。3-axis Accelerometer STK8BA53芯片傳感器是一個±2g／±4g／±8g的三軸線性加速度，具有數(shù)字輸出（I2C）、0g偏移和增益誤差補(bǔ)償?shù)裙δ?，滿足功能需求。STK8BA53中的所有寄存器都可以通過I2C 總線訪問，I2C 總線有SCl（串行時(shí)鐘線）和SDA（串行數(shù)據(jù)線）兩種，SDA 是雙向數(shù)據(jù)線，用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。SCl和SDA 均通過一個外部電阻上拉到VDD I／O，當(dāng)傳感器檢測到數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，通過I2C 發(fā)生中斷信號給MCU，MCU 處理數(shù)據(jù)后再由NB-IoT模塊上傳相應(yīng)的結(jié)果。

2.4 電極溢水模塊

為減少功耗，有效地增長終端使用的壽命，設(shè)備出廠前處于滅活狀態(tài)，安裝時(shí)利用金屬導(dǎo)線，短路浸水電極后自動激活設(shè)備。激活后的終端，當(dāng)井下水位上升溢出井蓋時(shí)，上報(bào)溢水警告。設(shè)計(jì)時(shí)在井蓋的底部，安裝兩個外漏的電極，此電極采用不銹鋼材質(zhì)，另外加上防銹的鍍鎳工藝處理，保證不會銹蝕。電極溢水模塊硬件電路如圖5所示，當(dāng)電極不導(dǎo)通時(shí)，WATER＿IN＿CON 電極一直處于低電平，MOS管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，而WATER＿IN 信號連接到MCU 的GPIO17，因?yàn)楸?V3＿WATER 電源拉高所以處于高電平狀態(tài)。當(dāng)外部水或者把兩個電極短接起來后，WATER＿IN ＿CON 信號被拉高，使MOS 管導(dǎo)通，將WATER＿IN 信號位低使其處理低電平狀態(tài)，通過狀態(tài)變化通知MCU 外部電極短路或者進(jìn)水。

圖5 電極溢水警告硬件電路圖

電極溢水警告設(shè)計(jì)提供設(shè)備激活和溢水警告兩個功能，MCU 通過判斷電極短接是滅活狀態(tài)下短接還是激活狀態(tài)下短接來進(jìn)行激活或者判斷進(jìn)水。為減少功耗，有效的增長終端使用的壽命，設(shè)備出廠前處于滅活狀態(tài)，安裝時(shí)利用金屬導(dǎo)線，短路浸水電極5s后斷開，當(dāng)MCU 第一次接收到連續(xù)5s的低信號，就可以自動激活設(shè)備了，并配合APP進(jìn)行設(shè)置和報(bào)裝操作，完成設(shè)備激動功能。在激活狀態(tài)下，當(dāng)井下水位上升或溢出井蓋時(shí)，水直至接觸到設(shè)備外殼電極水位感應(yīng)，電極間通過水短路，此時(shí)感應(yīng)電路給MCU 發(fā)出中斷信號，設(shè)備將在10s內(nèi)，通過NB 模組上報(bào)水位滿溢數(shù)據(jù)至云平臺。當(dāng)井下水位下降，直至脫離外殼電極水位感應(yīng)區(qū)域時(shí)，電極之間就會形成開路，MCU 將會檢測到此電路的邊或轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?，設(shè)備將在1分鐘內(nèi)，上報(bào)水位恢復(fù)數(shù)據(jù)至云平臺。通過后臺同步把報(bào)警以及水位恢復(fù)信息傳送至軟件平臺，使用戶在第一時(shí)間掌握井內(nèi)水位狀況，到達(dá)了實(shí)時(shí)監(jiān)控井內(nèi)水位狀況。

2.5 浮球式水位告警模塊

考慮到不同地域可能對水位要求不一樣，設(shè)計(jì)浮球式水位告警器監(jiān)測井內(nèi)水位狀況，工作原理如圖6所示。當(dāng)井下水位未上升到超限位置時(shí)，浮球開關(guān)處于常閉觸點(diǎn)狀態(tài)，不會觸發(fā)MCU 中斷；當(dāng)水位上升到超限位置時(shí)，浮球翻轉(zhuǎn)觸動開關(guān)變?yōu)槌ｉ_觸點(diǎn)位置，此時(shí)MCU 收到中斷信號，MCU 通過NB模組向云平臺發(fā)出告警；當(dāng)水位下降低于超限位置時(shí)，浮球中的開關(guān)恢復(fù)到常閉觸點(diǎn)，中斷解除，MCU 通過NB向平臺發(fā)送水位告警解除信號。

圖6 浮球式開關(guān)設(shè)計(jì)原理

浮球開關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡潔，電路實(shí)現(xiàn)簡單，可通過安裝的高度自行設(shè)置報(bào)警水位高度，即根據(jù)線纜吊裝調(diào)整浮球的高度實(shí)現(xiàn)。如要求水位離井蓋還有3m 時(shí)報(bào)警，可把浮球吊裝到離井蓋3m 的位置，如要求2m 時(shí)報(bào)警，則調(diào)整高度即可。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 終端軟件

終端軟件功能主要包括開機(jī)初始化、采集井蓋的位置、姿態(tài)及水位等各類數(shù)據(jù)信息、上報(bào)監(jiān)測數(shù)據(jù)到OneNET 云平臺及執(zhí)行云平臺發(fā)送的相關(guān)命令等［13］。

使用短路浸水電極方式開機(jī)后，NB 模組進(jìn)入初始化，為降低功耗，波特率設(shè)置為9 600bit／s。單片機(jī)通過AT 向URAT2口發(fā)送命令檢測NB模組工作狀態(tài)是否就緒，其主要檢測順序及命令有：復(fù)位NB模組AT＋NRB，獲取信號強(qiáng)度AT＋CSQ，獲取IMEI號AT＋CGSN，查詢查詢IMSI號AT＋CIMI，獲取IP 地址AT＋CGPADDR。在檢測狀態(tài)時(shí)SIM 卡可能還未初始化完成，此時(shí)就不能繼續(xù)向下執(zhí)行，至到所有狀態(tài)就緒后才可以上報(bào)監(jiān)測數(shù)據(jù)，例如，狀態(tài)監(jiān)測時(shí)認(rèn)為信號強(qiáng)度小于20為不合格信號，需要使用循環(huán)重新獲取直到信號強(qiáng)度達(dá)到20以上。

數(shù)據(jù)采集主要包括井蓋位置信息、姿態(tài)數(shù)據(jù)、電極溢水及水位告警等信息，姿態(tài)告警監(jiān)測功能數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。當(dāng)STK8BA53傳感器通過I2C 發(fā)生中斷信號給MCU 后，MCU 喚醒開機(jī)并根據(jù)加速度分量值計(jì)算出角度值，如果角度值小于等于15°則不進(jìn)行告警，如果角度小于等于60°，MCU 通過NB-IOT 向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送撬井告警信號，如果角度大于60°，MCU 通過NB-IOT 向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送開井告警信號。另外，在井蓋的姿態(tài)監(jiān)測過程中，利用標(biāo)準(zhǔn)差，通過濾波、算法處理來判定井蓋是否發(fā)生了異常。設(shè)備每監(jiān)測到一次異常狀態(tài)，將對震動計(jì)數(shù)器加1，并周期性通過心跳數(shù)據(jù)包上報(bào)至OneNET 云平臺。

圖7 姿態(tài)數(shù)據(jù)處理流程圖

與OneNET 云平臺交互時(shí)，考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用發(fā)布／訂閱模式的 “輕量級”MQTT 異步通信協(xié)議［14-15］，與TCP協(xié)議相比，它還具傳輸開銷小且對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)傳感器檢測到數(shù)據(jù)發(fā)生變化或硬件變化時(shí)給MCU 發(fā)出中斷信號，MCU 收到中斷信號后根據(jù)不同的中斷進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理后的數(shù)據(jù)由NB-IoT 模組發(fā)送給云平臺，以方便管理人員隨時(shí)查看，之后若沒有其它事件需要處理，MCU 自動進(jìn)入超低功耗休眠狀態(tài)。相應(yīng)的，管理人員也可以通過云平臺發(fā)送信號給NB 模組，NB模組接收到信號后再發(fā)送給MCU 并執(zhí)行相應(yīng)指令。

3.2 系統(tǒng)管理軟件

系統(tǒng)軟件主要提供電腦端和移動終端APP兩部分，開發(fā)時(shí)為減少代碼的耦合，采用前后端分離技術(shù)進(jìn)行開發(fā)［16］。后端主要處理業(yè)務(wù)邏輯問題，利用SpringBoot＋Mybaits技術(shù)，定義統(tǒng)一restful風(fēng)格的API接口為前端提供服務(wù)，并通過Json數(shù)據(jù)格式進(jìn)行交互。前端主要用于頁面樣式的顯示及動態(tài)數(shù)據(jù)的解析與渲染，PC 端使用雙向數(shù)據(jù)綁定的Vue技術(shù)［17］，并借助ElementUI和Echarts完成頁面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)可視化，移動APP 則利用加載速度更快的Uni-app進(jìn)行開發(fā)與打包?？紤]到監(jiān)控系統(tǒng)后期的功能擴(kuò)展與維護(hù)，后端設(shè)計(jì)時(shí)使用微服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，將系統(tǒng)中的不同模塊拆分為用戶管理、數(shù)據(jù)分析、井蓋資產(chǎn)管理等多個不同服務(wù)，同時(shí)利用SpringSecurity＋JWT 單點(diǎn)登錄的方式進(jìn)行認(rèn)證與鑒權(quán)［18］。

3.2.1 訂閱消息格式定義

系統(tǒng)中使用的終端數(shù)據(jù)來自于OneNET 云平臺，服務(wù)端通過訂閱云平臺中設(shè)備連接的MQ 消息的topic來持續(xù)獲取終端數(shù)據(jù)，訂閱內(nèi)容包括設(shè)備生命周期事件（設(shè)備的創(chuàng)建、刪除、上線和離線等記錄）及設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)事件。設(shè)備生命周期事件消息的定義如表1所示，設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)消息的定義格式如表2所示。同時(shí)服務(wù)端可通過調(diào)用云平臺API的方式實(shí)現(xiàn)對終端的命令下發(fā)。

表1 設(shè)備生命周期事件消息

表2 設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)事件消息

3.2.2 遠(yuǎn)程OTA 升級

OTA 又叫空中下載技術(shù)，即通過空中無線方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備固件升級［19-20］。目前支持OTA 的 有2G、3G、4G、WiFi、藍(lán)牙、NB-IoT、NFC和Zigbee等，使用固件空中升級可以修復(fù)產(chǎn)品缺陷、迭代產(chǎn)品升級，也有助于快速切入市場，降低整體開發(fā)成本。本文設(shè)計(jì)兩種固件的升級方式，一種是通過云平臺OTA 升級，另一種是通過藍(lán)牙進(jìn)行升級。當(dāng)設(shè)備需要進(jìn)行批量升級時(shí)，可選擇云平臺OTA 升級，升級時(shí)需要設(shè)備處于在線狀態(tài)，并在云平臺上傳新的固件包，當(dāng)設(shè)備監(jiān)測到升級任務(wù)后便可進(jìn)行在線升級。

遠(yuǎn)程升級過程主要分五步，如圖8 所示。第一步，終端上報(bào)固件的版本信息；第二步根據(jù)版本信息，選擇在oneNET云服務(wù)器創(chuàng)建升級任務(wù)并上傳升級包；第三步向服務(wù)器發(fā)送檢測升級任務(wù)請求；第四步下載升級包，并完成固件升級；第五步升級包升級完成后，向服務(wù)器上報(bào)升級狀態(tài)，其中201 表示升級完成。OTA 遠(yuǎn)程升級主要通過API實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)，先使用postman工具按照以上步驟驗(yàn)證接口的可用性，設(shè)置請求參數(shù)并向oneNET 云服務(wù)器發(fā)送不同API請求，發(fā)送請求的url中需包含設(shè)備唯一編號等信息，然后根據(jù)響應(yīng)結(jié)果判斷升級過程中的各種狀態(tài)。當(dāng)API接口驗(yàn)證成功后，再將API請求代碼添加到終端軟件，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級功能。固件升級完成后，利用手機(jī)端APP或者后臺運(yùn)維平臺可以看到對應(yīng)的設(shè)備信息和軟件版本，如圖9所示。

圖8 云平臺OTA 升級流程圖

圖9 終端版本信息查詢

3.2.3 監(jiān)控管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)主要提供井蓋資產(chǎn)管理、實(shí)時(shí)定位監(jiān)測、防盜監(jiān)管、報(bào)警聯(lián)動、鑒權(quán)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、工單管理、設(shè)備巡檢、智慧大屏展示等功能。智能井蓋編碼采用國際標(biāo)準(zhǔn)化IMEI號碼編碼的方式進(jìn)行唯一編碼，并通過獲取其所在的經(jīng)緯度、所在道路等信息方便快速掌握其安裝情況及實(shí)時(shí)監(jiān)測井蓋的狀態(tài)，井蓋的基本狀態(tài)包括：正常、異常、低電、維修和閉合異常。當(dāng)井蓋出現(xiàn)異常后，系統(tǒng)向管理人員及相關(guān)負(fù)責(zé)人的手機(jī)等客戶端發(fā)送報(bào)警信息，管理人員可根據(jù)不同的報(bào)警信息安排相應(yīng)的部門進(jìn)行維護(hù)處理，通過操作PC或者移動APP終端進(jìn)行任務(wù)查詢，派遣工單，下發(fā)任務(wù)，完成狀況查詢，確認(rèn)驗(yàn)收。通過對系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組、匯總及對比分析后，利用智能大屏的形式將井蓋監(jiān)測的實(shí)時(shí)狀況展現(xiàn)出來，將管理信息可視化，簡單化，透明化。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文的測試主要針對終端硬件與系統(tǒng)軟件功能等進(jìn)行測試，各項(xiàng)測試表明，終端硬件符合設(shè)計(jì)要求，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且可靠，功能齊全，人機(jī)交互良好，終端與系統(tǒng)可正常通信，能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

4.1 終端硬件

終端在硬件測試時(shí)，主要利用高精度數(shù)字電表、萬用表、示波器等儀器根據(jù)硬件設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測試。結(jié)果表明，時(shí)鐘震蕩電路、Uart和I2C 的信號時(shí)序及電源紋波等均符合硬件設(shè)計(jì)要求，其中整機(jī)功耗為98.25μA，符合低功耗需求，各模塊功耗測試結(jié)果如表3所示。根據(jù)終端使用的ER26500型號電池19AH 進(jìn)行計(jì)算，其理論使用壽命可達(dá)7年以上，能達(dá)到超長待機(jī)的目的。

表3 終端功耗測試表

4.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件功能測試時(shí)進(jìn)行實(shí)際場景下的測試，終端按產(chǎn)品要求安裝在井蓋底部，如圖10所示，服務(wù)器選擇使用的硬件環(huán)境為：Centos7.18操作系統(tǒng)，16G 內(nèi)存，1T 硬盤i7處理器。

圖10 井蓋實(shí)測安裝環(huán)境

通過井蓋的姿態(tài)變化測試監(jiān)控功能的實(shí)時(shí)性和有效性。井蓋原始狀態(tài)為正常，接著對井蓋進(jìn)行撬動，觀察軟件顯示結(jié)果，如圖11所示。當(dāng)井蓋撬動打開時(shí)，終端會采集井蓋的姿態(tài)狀態(tài)并經(jīng)過NB-IoT通信模塊發(fā)送給云服務(wù)器，服務(wù)器經(jīng)解析后實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信息并由前端進(jìn)行提示，姿態(tài)預(yù)警顯示與實(shí)際狀態(tài)相符合，可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。

圖11 井蓋打開時(shí)實(shí)時(shí)預(yù)警提示

移動終端使用藍(lán)牙連接井蓋終端后，將固件版本從s1.2升級到s1.4，可以升級成功，遠(yuǎn)程升級后終端新版本固件可正常使用。利用APP 查看固件版本及電量等信息，如圖9所示。

測試人員聯(lián)動運(yùn)維人員并配合移動APP，分別從權(quán)限控制、工單管理、設(shè)備巡查和統(tǒng)計(jì)分析等方面進(jìn)行測試軟件的管理功能。通過測試，軟件管理功能齊全，人機(jī)交互良好，和預(yù)期效果基本一致。軟件的可視化管理，為管理者的決策提供一定的參考價(jià)值，終端在維護(hù)過程通過上傳現(xiàn)場照片等操作，可做到設(shè)備的全過程監(jiān)督，有效地提高信息化管理水平。

5 結(jié)束語

本文利用NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、OTA 空中下載技術(shù)及Web開發(fā)技術(shù)等，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了云上智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)w位置、姿態(tài)及井下水位等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一定程度上預(yù)防了井蓋異常、溢水等造成的安全隱患。通過任務(wù)查詢、工單派遣、驗(yàn)收確認(rèn)等功能，有效提高了管理效率，降低了管理成本。利用OTA 遠(yuǎn)程固件升級，自動更新固件版本，可降低終端后期維護(hù)成本。本監(jiān)測系統(tǒng)解決了井蓋導(dǎo)致的安全隱患問題及管理難等問題，提高了信息化管理水平，為智慧管網(wǎng)、智能水務(wù)、智慧洪澇管理和智慧消防等固件維護(hù)等方面提供了很好的借鑒，為智慧城市規(guī)劃建設(shè)起到積極作用。