基于NB-IoT的实时被动式井盖监测系统

吴 坚，骆江波

(浙江科技学院 机械与汽车工程学院，杭州 310023)

随着中国城市建设的发展，城市基础设施建设事业也得到了持续快速的发展。城市中给水、排水、燃气、热力、电力和通信等各类市政公用设施日益增加，城市路面的各类管线设施的井盖也相应地不断增多[1]。全国特大型城市各类井盖总数量均在100万个以上，大型城市在80万个以上，中型城市在50万个以上[2]。近年来，由于城市中井盖管理不善，造成全国范围内各类伤人、损车事件频发，严重影响了市民的出行安全，造成不良的社会影响[3]。

针对以上问题，国内外一些高校和研究机构都进行了相应的研究并提出了解决方案，以对井盖实施有效管理。有研究者提出用传感器检测井盖的破裂[4]、位移[5-6]、倾角[7]、光照强度[8]，并将监测结果通过ZigBee无线网汇总至GPRS网关[9-10]，然后上传至服务器[11-12]。也有研究者提出，将监测到的物理量通过433 Mbit无线网汇总至GPRS网关，再上传至服务器[13]。这些解决方案都能够远程监测井盖状态，但是大都以自组网加GPRS网关的两跳方式进行数据传输，其网络部署需要考虑较多因素，后期网络需要持续维护，传输距离较长时需要使用路由中继。

为了避免以上方案存在的问题，笔者提出将窄带物联网(narrowband internet of things,NB -IoT)技术应用于实时被动式井盖监测系统(以下简称系统)。同时采用被动触发和休眠相结合的设计，以降低检测终端功耗，加长检测终端使用年限。

1 NB -IoT技术

NB -IoT是一种符合3GPP标准的新型无线接入技术，能为物联网提供广域覆盖。NB -IoT使用License频段，在上行和下行传输数据时，最小只消耗180 kHz的系统带宽[14]，可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或LTE网络，以降低部署成本、实现网络平滑升级[15]。NB -IoT具有以下特点。

1)深度覆盖。在相同的频段下，NB -IoT网络比3G、4G等现有网络信号强度增益20 dB左右，覆盖面积扩大100倍。这使得在地下车库、地下室、地下管道等手机信号难以到达的地方，NB -IoT信号也可以覆盖。

2)海量连接。NB -IoT的一个扇区能够支持多达10万个连接，城区每平方千米可接入终端30万个[16]。

3)传输速率和功耗低。NB -IoT射频带宽为180 kHz，上行下行峰值速率不大于250 Kbit/s[17]，聚焦小数据量、小速率应用，因此NB -IoT设备功耗可以做到非常小。

4)稳定可靠。NB -IoT使用全球授权频段，传输网络由运营商现网升级而来，安全可靠。

5)终端部署优势明显。NB -IoT终端所采集的数据可直接通过基站上传云端，相比于Zigbee、Lora、蓝牙等无线传输技术，省去了组网步骤和网关，使得终端部署更加灵活，垂直应用更加方便。

6)成本低。相比于其他无线技术，NB -IoT技术低功耗低速率的特性使其芯片需要更小的缓存、更低的RF设计要求、更小的体积，这些技术指标的降低决定了NB -IoT芯片成本能够更低[18]。

NB -IoT技术主要面向低成本、低功耗、低速率和广覆盖的应用场景[7]，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业、智慧物流、市政管理、智能电网和智能楼宇等。

2 系统设计

图1 系统结构Fig.1 System structure

系统结构如图1所示，它由包含电子器件的井盖检测终端、NB通信基站、核心网、服务器和用户组成。检测终端通过NB -IoT模组与附近基站通信，数据经由核心网传输至服务器，运行在服务器上的应用程序将数据处理后产生报表和报警信息，发送至维修人员的移动终端，管理人员也可以在管理平台上查看所有井盖的状态。井盖检测终端处理器平时处于休眠状态，传感器和通信模组处于掉电状态，以达到省电的目的。处理器以6 h的周期自动唤醒，给传感器和通信模组上电，采集井盖姿态、自身的电量，然后将数据与井盖编号等固定信息融合后上传给服务器。在通信时，服务器可以发送指令给终端，修改其唤醒周期。当外界使井盖发生倾斜时，检测终端内的倾角开关状态发生变化，产生信号唤醒处理器，处理器被唤醒后，控制电源芯片给三轴加速度传感器和通信模组供电，读取井盖的姿态。终端将信息发送至服务器，服务器应用程序产生报警信息，通知相关人员及时检修。

2.1 硬件设计

图2 检测终端硬件组成Fig.2 Composition of detecting terminal hardware

检测终端硬件组成如图2所示，由NB -IoT模组、CPU、三轴加速度传感器、倾角开关、电源控制芯片和电池组成。

NB -IoT通信模组采用华为海思的BC95模块，该模块支持NB -IoT通信标准，硬件通信接口为UART,使用AT命令控制，休眠功耗低至5 μA，内嵌UDP和CoAP协议，是目前NB -IoT通信的理想选择。BC95在使用时有PSM、Idle、Active 3种模式，最大工作电流分别是5 μA、6 mA、300 mA。终端选用18650锂电池作为电源。电源控制使用双路供电的设计，采用开关电源芯片TPS62120为CPU和被动触发电路供电，用开关电源芯片TPS82150为BC95模组和加速度传感器供电，平时开关电源芯片TPS82150处于关断状态。当需要采集井盖姿态并上报时，CPU控制开关电源芯片打开，给BC95模组和传感器供电。

CPU采用STM32L053C8T6芯片，该芯片带有64 KB Flash、8 KB RAM、2 KB EEPROM,12 bit精度的ADC接口和2个串口，并且支持8种低功耗模式。

被动触发设计使用了4个单向倾角开关来检测井盖在x、y、-x、-y4个方向的倾斜。当井盖被撬起以后，x、y、-x、-y中1个或2个方向的倾角开关状态发生变化，产生上升沿或者下降沿信号，唤醒CPU，终端开始采集井盖姿态并上报。

姿态采集传感器采用三轴加速度传感器ADXL345，三轴加速度传感器可以检测重力加速度在芯片x、y、z3个方向的分量，因此可以用来测量井盖的倾斜角度。传感器通过四线式SPI接口与CPU进行通信。

2.2 软件设计

2.2.1 软件流程

检测终端的软件使用前后台系统，每个任务按顺序执行，其流程如图3所示。

图3 终端软件流程图Fig.3 Terminal software flowchart

2.2.2 通信协议设计

通信协议是检测终端与平台通信时对数据包格式的约定，只有按照约定的格式上报和解析，才能正常完成上报和下发。通信协议设计如表1～2所示。

表1 上报协议Table 1 Agreement of updating

表2 下发协议Table 2 Agreement of issuing

2.2.3 姿态解算

图4 重力加速度分解Fig.4 Decomposition of gravitational acceleration

三轴加速度传感器可以检测x、y、z3个轴方向上的加速度，当传感器静止处于倾斜状态时，其x、y、z轴与重力加速度方向形成的夹角分别为θ、α、β，重力加速度在x、y、z轴方向上的分量分别为gx、gy、gz，而gx、gy、gz可由三轴加速度传感器测得。通过重力加速度分解(图4)，可知gy=gcosα，从而α=arccos(gy/g)，同理可得θ=arccos(gx/g)，β=arccos(gz/g)。

2.3 系统容错策略设计

系统的容错设计主要考虑外部环境的不确定性。导致系统不正常工作的因素可能来自倾斜的路面、过往车辆、作业、元件失效和雷电等。因此，系统容错策略主要针对以下几种情况。

2.3.1 安装误报

由于终端会被安装在井盖背面，所以安装时会先给终端上电，然后才安装。为了避免安装时由于翻转井盖导致终端误报信息，所以软件上采用注册机制，终端上电后会向平台请求注册，注册完毕后才开启被动触发功能。

2.3.2 作业误报

很多时候需要翻开井盖进行作业，为了避免此类情况造成的误报，在作业前，需要由平台下发指令给终端，使指定的井盖关闭被动触发的功能，待平台确认作业完毕后，下发控制指令使终端开启被动触发功能。

2.3.3 触发失效

倾角开关可能因为质量或工艺等原因不能产生触发信号，而通过使用三轴加速度传感器，可以得知井盖当前姿态。因此，平台通过比较井盖当前姿态和初始姿态，得知井盖是否塌陷倾斜。

2.3.4 抖动误报

在实际应用中，大部分安装井盖的路面倾斜程度都不同。这样带来的问题是，当路面倾斜度接近倾角开关的动作角时，微小的抖动便能使倾角开关状态发生变化，从而产生误报。为解决此类问题，倾角开关需要选择合适的灵敏度。井盖的安装根据城市道路检查井盖技术规范，如图5所示。图6为井盖翘起后的示意图，其中A为井座支承面至顶面的的高度，D为井盖直径，ω为井盖被撬起时的倾角。

图5 井盖安装Fig.5 Installation of manhole cover

图6 井盖翘起示意图Fig.6 Diagram of manhole cover prying up

由图5～6可知，

ω=arcsin(A/D)。

假设井盖对路面的容忍倾斜角度为γ，考虑到路面有倾斜，那么倾角开关的动作角ψ至少为:

ψ=ω+γ。

同理，对方形井盖也应该选择同样动作角的倾角开关。

2.3.5 终端损坏

在户外环境下，由于高温、低温、雷电等因素均可能导致终端不工作，为了让管理平台掌握终端是否正常工作，终端需要周期性主动向平台上报井盖状态。

3 系统测试与分析

使用动作角为10°的倾角开关，电脑运行UDP服务器并做好端口映射，等待检测终端连接上报。BC95预先配置南向地址和PLMN(公共陆地移动网络)，使用自动找网方式进行联网。将检测终端静止放置，待其进入休眠后，慢慢倾斜终端，通过串口打印信息观察终端是否被唤醒，并记录终端被唤醒时的倾角。通过串口打印信息记录终端的唤醒时间点、连上服务器的时间点、上报信息的时间点和下发数据到达终端的时间点，通过UDP服务器记录数据下发的时间点、上报数据到达的时间点。联网过程和上报过程如图7～8所示。

最后整理各个环节的数据，如表3所示。

图7 联网过程Fig.7 Networking process

图8 上报过程Fig.8 Updating process

数据编号实际唤醒角度/(°)信号强度/dB信噪比/dB从唤醒到连上服务器耗时/s数据上报耗时/ms数据下发耗时/ms110-54.425.33376778529-53.325.634752769310-54.324.233764782410-56.724.432798817510-56.722.435795814611-55.522.835779798710-56.425.23479581489-54.923.335771790均值9.875-55.27524.1533.875777.625796.125

从表3中可以得出，测试环境NB网络信号强度均值为-55.275 dB，信噪比均值为24.15 dB。8组实验中，终端被唤醒时的倾角均值为9.875°；终端联网过程较慢，平均需要33.875 s；对于24 B的上报数据和7 B的下发数据，传输用时均值分别为777.625 ms和796.125 ms。

4 结 论

笔者运用NB -IoT技术设计了一种实时被动式井盖监测系统，该系统能够准确地响应井盖的倾斜产生报警事件，较稳定快速地联网和传输数据至服务器，并通过被动触发和终端休眠相结合的设计，解决了NB -IoT在智能井盖应用中实时要求和省电要求相冲突的难题，从而实现了对井盖实时监测系统的优化。

[1] 赵士鹏.基于ZigBee和GPRS的智能井盖远程监控系统设计[J].电子世界,2016(17):158.

[2] 李志,裴军芳.一种基于Zigbee的分布式井盖监控系统[J].科技通报,2015,31(3):170.

[3] 王猛,刘珈池,王阔瑞,等.基于物联网技术的城市小区智能井盖管理系统[J].价值工程,2016(2):80.

[4] 颜明博,毛晓惠,孙琪,等.井盖分布式智能安全监测报警系统[J].信息与电脑(理论版),2016(5):97.

[5] 郑丰收,周文,宋永明.城市井盖智能化管理[J].测绘通报,2013(增刊2):55.

[6] 杨永超,曾刚,黄勇,等.基于Zigbee无线传感网络的窨井安全监测系统[J].安全与环境工程,2015,22(5):96.

[7] 任安虎,鲍宏海.基于ZigBee的城市道路井盖安全监测系统设计[J].物联网技术,2014(11):81.

[8] 尤晓萍,尤海峰.基于无线传感器网络的沙井盖监测系统[J].中国新通信,2014(21):96.

[9] 解兆延,徐文青,张延波,等.基于ZigBee技术的防盗井盖控制系统的设计与实现[J].电子世界,2014(17):145.

[10] 马爱丽,曹梦宇,唐玮璇,等.基于智能井盖的物联网+市政一体化系统[J].物联网技术,2016(3):105.

[11] 徐培龙,叶敏,徐建,等.基于Zigbee组网技术城市窨井实时监测系统[J].自动化与仪器仪表,2011(4):65.

[12] 赵继东,马泽恺,杜庆治.数字化城管系统:一种井盖安全监测系统[J].现代物业(上旬刊),2014,13(12):134.

[13] 党磊,潘良波,陶为翔.城市井盖监控预警平台的研究及应用[J].办公自动化,2014(增刊1):356.

[14] WANG Y P E, LIN X, ADHIKARY A, et al. A primer on 3GPP narrowband internet of things[J]. IEEE Communications Magazine,2017,55(3):117.

[15] 张旭,邓菲菲,何天爱.NB -IoT的技术背景及面临的挑战[J].电脑知识与技术,2017,13(6):89.

[16] 贾雪琴,张云勇.NB -IoT运营策略[J].中兴通讯技术,2017(1):21.

[17] 鲁娜,朱雪田,张成良.NB -IoT运营商面临的机遇与挑战[J].中兴通讯技术,2017(1):29.

[18] 彭雄根,李新,陈旭奇.NB -IoT技术的发展及网络部署策略研究[J].邮电设计技术,2017(1):58.