基于NB-IoT的野外警示牌防盗报警系统的设计与实现

赵青 曾天桥 颜君凯 周欣

摘要：针对落地式警示牌遭到人为破坏和遗失造成的资产损失，以及界定主体单位承担不必要事故责任的问题，设计了一种基于NB-IoT的野外警示牌防盗报警系统，实现了对警示牌的精确定位和防盗报警，搭建了野外警示牌信息管理平台。系统具有高稳定、高精度、长续航优势，有重要的推广前景和应用价值。

关键词：警示牌；窄带物联网；全球导航卫星系统；MySQL数据库；信息管理平台

中图分类号：TP27文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）20-69-4

0引言

如今是人工智能的时代，人工智能已经渗透到人们生产和生活的每一个角落。显然，与智慧城市密切相关的警示牌管理系统也不例外[1]。警示牌是一种通过标语提醒来保障人员生命安全的公共设施，区别于城镇街道上的各类警示牌，野外警示牌因地理环境特殊，经常遭到人为破坏和偷盗。扬州输电运检室每年新增警示牌上千块，大部分是遗失增补。警示牌遗失一方面造成公司资产损失，另一方面当发生安全事故后，现场缺少警示牌将使公司承担不必要的事故责任。

因此，有必要构建一种警示牌防盗报警系统。警示牌无需频繁移动，数据量小，由于其本身低价的特点决定了系统应当成本低、功耗小、寿命长、免维护[2]。IoT应用是新兴的技术应用之一，被认为是多个行业和公用事业的关键数字转型推动者[3]。而NB-IoT最初就被设想为适用于移动性支持不强的应用场景，这为面向云端的野外警示牌防盗报警系统提供了很好的解决方案[4]。NB-IoT是基于蜂窝网的窄带物联网技术，支持海量连接，有深度覆盖能力，功耗低，适合传感、计量、监控等物联网应用[5]。

本文构建了一种基于NB-IoT的野外警示牌防盗报警系统，通过NB-IoT技术，系统将采集到的各类数据传输到云服务器，并保存在MySQL数据库中，通过信息管理平台，运维人员可以实现对野外警示牌的统一监管。

1野外警示牌防盗报警系统架构

野外警示牌防盗报警系统具备信息采集、无线传输、数据存储以及远程管理的功能，该系统分为感知层、通信层和应用层。系统架构如图1所示。

第1层为感知层，位于NB-IoT的最底层，是所有上层架构与服务的基础[6]。编码后的数据通过MCU串口以AT命令的形式发送到NB模块，NB-IoT芯片在接收到AT命令后[7]，将传感器采集到的警示牌经纬度数据、陀螺儀数据经NB-IoT基站发送至云服务器；第2层为通信层，通过实时监听云服务器的接收端口，将监听到的数据流保存在MySQL数据库中；第3层为应用层，通过搭建信息管理平台，运维人员可以实时查看警示牌位置信息。

2系统硬件设计

野外警示牌防盗系统由电源模块、STM32微控制器模块、陀螺仪模块、NB-IoT模块和GNSS定位模块构成。系统硬件结构如图2所示。

STM32微控制器作为主控单元，连接其他各个模块，实现相应功能；NB-IoT模块采用集成NB-IoT和GNSS的多功能无线通信模组BC20[2]，内置的GNSS定位模块可以实现经纬度信息的采集；电源模块为STM32微控制器、陀螺仪模块以及NB-IoT模块，提供工作电源。主控单元在获取到定位数据以及陀螺仪数据后，使用AT命令将数据通过NB-IoT基站传输至云服务器。

2.1 STM32微控制器模块

微控制器模块选用STM32F103C8T6作为主控芯片，该芯片的工作频率可达72 MHz，外设资源丰富、性能稳定。控制器外部连接电源电路、晶振电路和复位电路组成最小工作系统。根据硬件系统各模块的功能要求，对I/O引脚进行分配，部分功能引脚如表1所示。

2.2电源模块

电源模块选用太阳能板来保证系统长久续航，初始电压经过太阳能充电管理芯片CN3791降压到4.2 V后，对3.7 V锂电池进行充电，同时设计了锂电池过充保护电路，电池充满后会停止充电，延长锂电池寿命。系统通过稳压芯片输出3.3 V电压为各个模块供电。

2.3陀螺仪模块

MPU6050传感器是全球首例9轴运动处理传感器芯片，它集成有三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速计，以及一个可供扩展的数据运动处理器DMP[8]。野外警示牌内的陀螺仪模块同时检测野外警示牌的方向、方向和方向的角速度，并通过串口将角速度数据传输给STM32微控制器。通过角速度的定量分析对警示牌的位置状态进行定性判断。若警示牌被人为破坏，即角速度超出设定阈值时，系统立即向运维人员发送报警信息。

陀螺仪模块的引脚与STM32微控制器连接如图3所示。MPU6050传感器检测轴如图4所示。