一种基于NB-IoT技术的智能井道监测装置

摘 要：随着井道系统成为城镇防汛的关键因素，本文提出了一种基于NB-IoT技术的智能井道监测装置。装置以STM32嵌入式处理器为核心，采用超声波和非接触电容式液位传感器实现井道液位检测，同时监测井盖姿态角和井道可燃气体浓度，并通过NB-IoT将信息进行定时上报处理，能够极大提高监测效率并降低人工成本，为窨井井盖的监测维护工作提供了重要数据支撑。

关键词：NB-IoT技术；STM32；液位检测；超声波；非接触电容式液位传感器；GNSS

中图分类号：TP39；TN98 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）02-00-02

0 引 言

随着城镇的发展与工业化进程的加快，城镇井道系统成为防汛排水的关键因素。尽管城市化公共设施建设在飞速发展，但由于城镇中井盖数量大，分布广且分散，监管耗费极大的人力物力。同时，近年来井盖因倾斜、位移、溢水和人为破坏、盗窃等问题[1-3]，造成了巨大的财政损失和社会安全问题。故考虑使用NB-IoT技术[4-5]实现低成本，低功耗，且覆盖广泛的监测装置。该监测装置可以及时向上预警管道液位、井盖倾斜程度，并且提供其定位，方便维修人员快速获得窨井的状态信息并及时维护。

1 系统总体设计架构

基于NB-IoT技术的嵌入式窨井液位监测装置系统设计架构如图1所示。系统主要功能是对窨井井盖状态数据进行采集，并上传数据至云平台；当窨井液位高于非接触电容式液位传感器的检测点时，传感器响应，触发小角度超声波测距并根据水位进行动态采集，以达到低功耗的目的；窨井液位高于警戒水位时，报警并加快采集频率，从而实现全范围、高精度的液位监测。此外，装置还通过三轴加速度传感器获取装置姿态，利用气体浓度采集模块获取窨井中可燃气体浓度数据，使用NB模块自带的GNSS定位井盖方位，并将窨井的状态监测数据经NB模块传送至云平台，在云平台上更改采集频率的指令，传输到设备MCU处理。该装置整体运行功耗低、部署简单，若采用电池供电，可以三至五年[6]更换一次电池。

2 系统硬件设计

系统硬件部分由主控板和传感器外设组成，系统硬件整体框图如图2所示。主控板采用STM32F103系列开发板，其具有多种功能丰富的接口以及定时器，具备循环冗余检验功能，支持轻量级应用开发，拥有极强的可扩展性和应用性。外设包括小角度超声波测距传感器、非接触电容式液位传感器、三轴加速度传感器、气体传感器、NB-IoT模块[7]等。

2.1 液位测量模块

非接触电容式液位传感器通过感应有水和无水状态时的电容值差异来判断传感器检测点处是否有水[8]。将传感器安装在井盖的检测点处，当液体水位高于传感器的检测点时，传感器会发出信号，设备在收到信号后，会立即启动响应。非接触式液位传感器被触发后，超声波传感器开始采集小距离液位数据。HC-SR04超声波传感器对液位距离进行测量，测量误差小且测量距离长。根据超声波在空气中的传播时间和信号往返时间可以计算出水位和井盖之间的距离，并将测量水位划分预警等级。

2.2 姿态角传感模块

MPU6050用于安置在井盖下测量井盖的倾斜角度[9]，用于防止井盖丢失或者倾斜造成道路安全问题。MPU6050模块采用I2C协议与STM32通信，将采集的数据输入STM32中。该模块用以实现姿态数据的采集工作，模块支持X、Y、Z三轴加速度数据采集和三轴陀螺仪数据采集。

2.3 气体传感模块

MQ-2传感器适用于液化气、丁烷、丙烷等气体的探测，它利用气敏材料与烟雾接触时表面电导率的变化测量气体浓度。烟雾浓度越大电阻越小，电导率越高，输出的模拟信号越大[10]。

2.4 NB-IoT模块

无线通信模块选用移远BC-20模组，集NB-IoT通信与GNSS定位于一体，可以方便地连接OneNET云平台创建云应用，井盖使用GNSS定位。模块启动后通过AT指令打开MQTT客户端并连接云平台。在线设备可以通过更新数据流的方式上传井盖数据[11]。

3 系统软件设计

3.1 主程序流程

系统软件设计根据实际情况分为低功耗唤醒工作模式[6]和预警模式。

采用低功耗唤醒模式时，系统每3小时采集一次数据，若无响应，则系统处于正常工作状态。系统同时采集倾斜角度、气体浓度、地理位置信息并上传采集数据至云平台。该传感器位于井盖下方4 m处。

采用低频预警模式时，若液位上升，且距井盖位置不足4 m，即传感器感应到井水时，系统进入黄色预警模式：系统每30分钟采集一次监测数据，上传采集数据并定位。

采用高频预警模式时，若液位超过预警水位，即探测到水位距离小于2 m时进入红色预警模式：系统每10分钟采集一次监测数据，上传采集数据并定位。

可燃气体浓度超过安全浓度，倾斜角度大于15°时，系统会告警显示。

3.2 中断程序设计

RTC闹钟中断事件控制系统每5小时唤醒系统检测一次窨井状态，每次上报监测数据时长约为50 s。外部中断事件由小程序端下发设置窨井监测数据采集频率命令触发。未触发中断查询状态时，系统处于正常工作状态。可以将传感器数据采集程序分别写进“RTC闹钟中断”和“外部中断”事件，进一步降低系统功耗。

3.3 小程序设计

微信小程序选用微信开发者工具平台，可以设计所需界面和控件。小程序MQTT客户端登录通过MQTT Over WebSocket的方式建立与阿里云的连接，需事先提供阿里云MQTT三元组信息，以便用户登录和Topic订阅[12]。登录后通过阿里云的云产品流转实现不同设备的Topic转发，小程序可获取阿里云转发的嵌入式设备端模型数据。小程序界面如图3所示。

4 结 语

本文设计了一种基于NB-IoT的低功耗窨井液位采集装置。通过非接触电容式液位传感器和超声波传感器进行水位测量，从而达到全范围、高精度的液位监测。采用低成本，低功耗，广覆盖的NB-IoT技术进行数据传输，将水位监测值、井盖倾斜程度、可燃气体浓度等数据上传至数据监测端。根据采集的水位值动态更改系统采集频率，使系统能够满足低功耗需求，减少电池能耗，延长其工作年限。本装置功耗低，成本低，数据安全性高，不仅降低了窨井管理所耗费的人工成本，更减少了井盖破损、丢失所造成的安全隐患。

注：本文通讯作者为许鹏。

参考文献

[1]王丽萍，刘磊，曾聪，等.面向智慧城市的窨井盖安全系统设计

[J].物联网技术，2021，11（12）：92-94.

[2] ZHANG H S，LI L，LIU X. Development and test of manhole cover monitoring device using LoRa and accelerometer [J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement，2020，69（5）.

[3]李雷.基于LoRa的井盖状态监测系统研究与设计[D].北京：北京交通大学，2019.

[4]吴晓斌.基于NB-IoT的窨井盖及井下工况远程监控系统设计[D].太原：中北大学，2018.

[5]王玉兵.基于物联网技术窨井远程检测应用探讨[J].科技视界，2020，10（17）：5-7.

[6]李文雯，时之媛，陈宇灿，等.基于STM32的低功耗窨井液位采集与传输系统[J].物联网技术，2021，11（5）：23-26.

[7]田立武，沈晓萍.智慧化窨井设施远程监测平台研究[J].中国新通信，2021，23（20）：108-110.

[8]屈梦瑶，易艺，陆泽青，等.基于电容式传感器的非接触式液位测量系统[J].传感器与微系统，2021，40（9）：81-84.

[9]郭敏，尹光洪，田曦，等.基于三轴加速度计的倾斜角传感器的研究与设计[J].现代电子技术，2010，33（8）：173-177.

[10] MO F，YU L，ZHANG Z K，et al. Design and implementation of manhole cover safety monitoring system based on smart light pole [J]. Mathematical problems in engineering，2022.

[11] LI C F，GU S M，GUO G，et al. Alarm method of communication intelligent manhole cover based on multiple event fusion [J]. EURASip journal on wireless communications and networking，2021（1）.

[12]葛金鑫，杨慧中.基于NB-IoT的低功耗窨井水质在线监测系统[J].现代电子技术，2021，44（6）：28-33.