智能管道定位系统设计

陈瑞东，秦会斌，叶 晨

（杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018）

0 引言

排水管网与市民的生活质量、城市的经济发展和工业生产密切相关。地下排水管道的运行故障将会直接造成水资源的浪费以及城市内涝等问题。高精度的定位技术可以实时监控城市管道使用过程发生的位移情况， 提高城市排水管道抢修效率，为管道稳定运行提供保障。

20 世 纪 60 ～90 年 代 之 间 ， 全 球 定 位 系 统（Global Positioning System，GPS） 被研制并逐渐走向成熟[1]，其定位精度越来越高，这使得无线定位技术产生革命性的发展。 当前，已经有多种定位方法被开发并投入使用， 如全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、 蜂窝网定位技术，以及以无线局域网（Wireless Fidelity，WiFi）、低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）技术、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）等为代表的室内或小范围环境的定位系统[2]。 北斗卫星导航定位系统是我国自主研发并且独立运行的卫星导航系统。 与目前的全球定位系统相比， 北斗卫星导航定位系统的信号强度和定位精度更高[3]。 根据《北斗卫星导航系统发展报告 （4.0 版）》， 北斗系统已完成全球覆盖，且在亚太地区定位精度可达水平5 米、高程5米（95%）。

本文研究的智能管道定位系统基于北斗定位技术，结合信号处理电路，完成地下水管位置的确定，并通过NB-IoT 网络将定位系统检测到的管道定位信息打包发送至云平台， 再通过Web 应用软件实现前端和后端的解耦。该系统能够提升城市管道的安装与维护能力，使城市管道的维修变得更加便捷，形成工程化应用示范，并推动管道产业由中低档单纯排水管道产品向高端智能化管道产品的升级。

1 系统结构设计

1.1 总体结构

智能管道定位系统的总体结构如图1 所示。本系统主要采用终端GNSS 传感器实时采集管道的位置信息，依托中国电信NB-IoT 网络，再通过IoT云平台将系统检测到的管道信息打包发送至Web应用软件，在上位机上实时显示采集的管道位置信息，实现管道监控。

图1 系统总体结构Figure 1 The overall structure of the system

1.2 北斗卫星定位

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施[5]。卫星定位技术基于测距交会原理，并通过空间分布的卫星以及卫星与地面间距离等数据交会出地面点位置，如图 2 所示。

图2 卫星定位示意图Figure 2 Schematic diagram of satellite positioning

假定接收机周边空间共分布着4 颗卫星，且位置已知。卫星在运行过程中每隔时间T 发出一个伪随机测距码信号，接收机接收到信号后，将其与自身的复制码进行相关处理，得到信号相关系数：

式中：a（t-ΔTtrans）为接收到的卫星信号，a（t+ΔT-ΔTdelay）为接收机产生的复制码，R（ΔTdelay）为信号自相关系数，T 为测距码信号的周期，ΔTtrans为卫星信号的传播时间，ΔT 为接收机时钟与卫星时钟的钟差，ΔTdelay为复制码的延时时间。

若信号间的自相关系数R（ΔTdelay）≠1，调节复制码延时时间 ΔTdelay，直至相关系数 R（ΔTdelay）≈1。不考虑钟差时间的情况下，信号对齐后，延时时间ΔTdelay可近似为卫星信号的传播时间 ΔTtrans。 理想情况下，信号在空气中的传播速度近似于光速c，卫星与接收器间的测量距离，又称为伪距，即为信号的传播时间 ΔTdelay与光速 c 的乘积， 如式（2）所示。

根据测量学的测量交会原理，若空间中存在3个位置已知的控制点，且控制点与目标点的距离确定的情况下，分别以各控制点为圆心，距离为半径划圆，圆的交汇点即目标点位置，如图 3 所示。

图3 卫星定位测量交会Figure 3 Satellite positioning measurement rendezvous

考虑到接收机与卫星之间存在钟差ΔT， 实际应用中，卫星配备精度极高的原子钟。 如北斗三号的氢原子钟，每百万年偏差仅一秒；接收机上的石英钟稳定性一般， 通常认为钟差主要来自于接收机的时钟。 为了修正钟差对定位精度带来的误差，除测量交会原理的三组数据外， 还需提供一组数据才能得出准确的接收机位置。 假定卫星坐标分别为（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3）和（x4，y4，z4），可得式：

由式计算可得出坐标数据，最终确定接收机的位置。

北斗卫星导航系统提供B1、B2 和B3 三频信号服务[4]，其中，B1 频段的中心频率为 1561.098MHz，B2 为 1207.14MHz，B3 为 1268.52MHz。 为保证信号能够被正常接收， 接收机天线需满足表 1 要求的规格。

表1 天线规格Table 1 Antenna specifications

1.3 NB-IoT 网络架构设计

城市管道数目众多且分布于城市地下不同位置，无法通过人工进行监控。 因此需要管道定位系统将数据发送至Web 端， 从而反映管道的当前位置。 数据通信采用NB-IoT 技术，该技术具有广覆盖、低功耗、低成本、节点布置简单等优势，因此在城市管理中得到了广泛应用。

NB-IoT 网络传输系统采用了基于4G LTE 的核心网架构，并结合物联网大连接、低速率、低功耗和广覆盖等要求进行了网络架构和处理流程上的优化。具体网络架构如图4 所示。NB-IoT 终端通过空口连接到基站，然后通过S1 接口与核心网相连。网络侧与 LTE 网络相同， 包含 S1、S5/S8、S6a、S11和Uu 接口，仅针对物联网进行了优化；业务平台接口中的T6 接口实现MME 和SCEF 之间非IP 数据的传输。为了提升小数据传输效率，NB-IoT 系统对现有LTE 处理流程进行了相关优化， 其中包括C-SGN 支持控制面优化传输方案和用户面优化传输方案这两种优化的小数据传输方案和仅为高效的小分组数据保留必要的安全流程等。

图4 NB-IoT 网络架构Figure 4 NB-IoT network architecture

1.4 系统管理软件设计

Web 应用软件，主要实现用户管理、数据存储和数据可视化等功能， 可以将GNSS 传感器检测到的信息通过可视化的形式在软件中显现出来， 以显示管道当前的位置。Web 应用软件采用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）架构开发，基于 Java 语言，采用模型—视图—控制器 （Model View Controller，MVC）设计框架，设计模型、视图组件和控制器。

2 系统搭建与测试分析

2.1 定位模块

地下水管的定位模块选用基于北斗定位技术的低功耗芯片，结合信号处理电路，完成定位。其定位模块实物如图5 所示。

图5 定位模块实物图Figure 5 Physical map of positioning module

卫星信号经过空气传播过程产生衰减，信号已不能被射频芯片直接使用，故信号需进行放大。 另外，天线接收到的信号通常存在较强的噪声，若将信号和噪声一起放大非常不利于后续处理，因此需选用低噪声放大器LNA（Low Noise Amplifier）对信号进行放大。 放大后的信号经过声表面滤波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）滤除干扰信号后，供GNSS 单元运算处理，获得接收机位置信息后发送至微控制单元 MCU（Micro Control Unit），整个定位模块的信号处理架构如图6 所示。

图6 定位模块的信号处理架构Figure 6 Signal processing architecture of positioning module

2.2 NB-IoT 通信网搭建

智能管道定位系统中， 每个节点设备都拥有一个独一无二的第六版互联网协议IPv6 地址。 节点上传数据时，网络地址存在于数据包头部，随管道信息发送至NB-IoT 云平台。 云平台选用中国电信NB-IoT 云平台，具有拥塞控制、免心跳和命令缓存等优势。 NB-IoT 云平台是整个系统的通信桥梁， 基于受限应用协议 （Constrained Application Protocol，CoAP）与终端通信，并基于超文本传输安全协议HTTPS 与Web 应用软件通信， 提供NBIoT 通信业务的连接管理、设备管理、数据管理和能力开发等基础功能。

2.3 Web 应用软件开发

智能管道定位系统Web 应用组成如图7 所示。 智能管道定位系统的Web 程序接收到数据包后，解析获得设备编号、位置等信息，通过SQL 语句将信息存储至MySQL 数据库。 程序调用地图的应用程序编程接口API，集中显示各节点的编号及位置信息， 有效提高智能管道定位系统的实时性、可靠性。 同时，程序可调用Java 信息推送API 通知用户，用户能够及时获取管道信息，有效提高智能管道检测系统的实时性、可靠性。 为了提高智能管道定位系统的交互体验，Web 应用包含以下功能：第一，节点筛选，在地图上显示节点编号及位置；第二，用户接口的设计，实现节点设备的信息修正及远程控制。

图7 智能管道定位系统Web 应用组成Figure 7 Web application composition of intelligent pipeline positioning system

3 结语

本文针对城市地下排水管存在的问题，设计了智能管道定位系统：基于北斗定位技术，利用GNSS定位芯片和数据传输模块，通过NB-IoT 网络将信息传输至Web 端，实现双向交互，可以实现管道的可视化、网络化、智能化管理，使城市管道的监控和维修变得更加便捷。