基于NB-IoT技術的智能井蓋終端解決方案

謝蘭青，尹清松

（中電海康集團研究院，浙江 杭州 311121）

0 引言

隨著城市化進程的進一步加快，市政公用設施建設迅速發展。市政、電力、通信等部門有大量市政設備、資產需要管理，井蓋是其中不可忽視的一項。大量的井蓋由于缺乏有效的實時監控管理手段，給不法分子提供了可乘之機：損壞、偷盜井蓋等違法行為時有發生。丟失、損壞、被盜的井蓋常因無法及時獲知而得不到及時修復，這樣不僅影響了井下相關設備的正常工作，造成直接或間接經濟損失，還會對井蓋所在位置附近人民群眾通行安全造成巨大隱患。

目前市場上已經有一些智能井蓋傳感器模塊，也有一些廠商已經跟井蓋廠商合作做系統集成。但現有方案[1][2]大都基于ZigBee、LoRa或傳統2G、3G、4G蜂窩網。前兩者需要通過自建基站或網關的方式將傳感器接入到互聯網中，部署相對復雜。而傳統蜂窩網絡傳輸又面臨不適合低功耗場景的問題。

無線通信技術中，NB-IoT作為新秀，憑借諸多優點引起各方高度關注：國內三大運營商大力推進NB-IoT基站建設，終端廠商也相繼推出NB-IoT模組[3][4]。 NB-IoT具備4大特點[5-8]：

（1）廣覆蓋。尤其強化了對室內環境的覆蓋。在同樣頻段下，NB-IoT相較于傳統蜂窩網絡增益20dB，區域覆蓋能力提升了100倍。而且由于NBIoT基于蜂窩網絡技術使用運營商基站通信，無需使用者自行部署網絡。

（2）海量連接。一個扇區可以支持10萬個連接。

（3）低功耗。NB-IoT終端模塊使用電池的待機時間可以做到長達10年。

（4）低成本。模塊生產企業的單個模塊成本預計不超過5美元。

本文設計一種使用NB-IoT技術的井蓋智能監測終端，終端固定安裝在井蓋下方，監測井蓋狀態，并且支持主動報警功能。終端與云平臺組合建立井蓋實時監測管理系統，可以幫助市政管理部門高效地監測轄區內井蓋的狀況，在井蓋出現問題的第一時間進行維修，最大限度避免發生意外事故，減少損失。另外，配合APP管理，使日常維護更為簡便高效。

1 方案設計

1.1 系統概述

系統分為3個主要的組成部分：

（1）井蓋監測終端：該終端安裝在井蓋下方，作用是收集井蓋數據后通過NB-IoT網絡傳輸到服務器；

（2）服務端軟件：承擔接收處理數據的任務，同時提供其他的平臺服務，如B/S架構的瀏覽器平臺訪問方式；

圖1 井蓋智能監測系統整體部署架構

圖2 終端模塊硬件組成框圖

（3）手機APP：結合GIS地圖為井蓋維護人員提供界面友好、方便、高效的維護指引。

井蓋智能監測系統的整體部署架構如圖1所示。

1.2 硬件架構

該終端設計方案的硬件部分僅井蓋傳感模塊單板，主要由MCU、加速度傳感器、NB-IoT模組構成。硬件選型的原則為低功耗、低成本。如圖2所示為終端模塊硬件組成框圖。

1.3 軟件設計

圖3 智能終端軟件模塊組成

本應用的軟件架構和主要模塊如圖3所示。軟件設計中詳細模塊功能如表1所示。

1.4 容錯設計

考慮到模塊運輸和安裝環境的不確定性較大，如模塊安裝前車輛運輸顛簸、井座（路面）本身傾斜以及人為檢修等因素都會引起井蓋報警誤觸發，且井下環境較為惡劣，模塊需要做防水處理，不利于調試，因此設計時需要考慮容錯。

采用的容錯設計是井蓋模塊上板載一個干簧管，充當磁性開關使用，通過安裝時再用強力磁鐵激活的方式，可以解決安裝之前運輸顛簸誤報問題。同時，選擇的MCU自帶藍牙功能，可以實現單個模塊與手機APP互聯，解決了人為檢修布防解防、路面傾斜校準等問題。

表1 終端軟件各個模塊組成及功能

2 方案實際測試

2.1 測試方法

為了驗證終端是否達到設計要求，在不同的環境條件下，對終端模塊進行功能性測試。重點測試模塊的信號質量和待機時長，以了解相對于傳統通信方式的優勢。測試時，對終端模塊進行防水密封，并用膠粘固定井蓋底面；測試使用的井蓋為道路用水泥制和金屬制兩種圓井蓋。測試方法如下：在測試場地安裝好設備模塊；開啟模塊，連接藍牙，配置后開始工作；進行狀態同步時，模塊自行查詢NBIoT模組信號質量，并發送至云平臺服務器；為了提高測量待機功耗的效果，修改提升狀態同步（發送心跳包）頻率為半小時一次；再開啟服務器程序，解析接收的數據。測試場景及目的如下：

場景1：道路上水泥制圓井蓋上方；測試信號質量；

場景2：道路上水泥制圓井蓋下方；測試信號質量、井蓋移動監測和待機時長；

場景3：道路上金屬制圓井蓋上方；測試信號質量；

場景4：道路上金屬制圓井蓋下方；測試信號質量、井蓋移動監測和待機時長；

場景5：高樓建筑室內辦公桌；測試信號質量。

2.2 測試結果分析

如表2所示，為各個場景下的測試結果，綜合分析，可以得出以下結果：

（1）信號強度：井蓋上方＞水泥制井蓋下方＞金屬制井蓋下方＞高樓建筑室內。

（2）待機功耗：設計要求希望滿足每天傳送一次心跳包可使用3年以上。在實驗中，設定每隔30分鐘RTC喚醒發送數據包，一天發送48次。在此情況下，仍然能夠達到30天以上待機，傳送次數理論上滿足設計需求。

（3）移動監測：傾角計算較為準確，符合使用要求。

表2 不同測試場景結果對比

由表2可知，對常見的金屬井蓋而言，由于金屬屏蔽原因井下信號比較差。信號差不僅影響連通率和傳輸時間，對耗電也有非常大的影響。依據NB-IoT技術手冊，結合示波器測量，計算出在信號好與差兩種狀況下，狀態同步時能耗的差別。由表3可見，能耗差別非常懸殊，對電池使用時間造成了巨大的影響。雖然可滿足設計要求的3年使用時間，但與NB-IoT宣稱電池使用10年相比有較大差距，當然主要原因在于井下特殊的信號環境。

表3 NB-IoT日待機能耗預估

3 結語

本文提出了一種基于NB-IoT的井蓋智能監測終端方案，并詳細描述了終端軟硬件架構和實現方法。通過測試分析，該方案設計在樣機實際測試中，其表現（包含連通性、耗電量、監測靈敏度）可以基本滿足設計需求。該終端可以實時、有效、快速地把井蓋狀態信息反饋給上層云平臺，能夠提高市政工作的維護效率，降低成本，有助于提升城市安全管理水平。在解決現實問題的同時，驗證了NB-IoT技術在物聯網終端應用中的實用性。筆者認為，NB-IoT技術可以最大限度地解決組網難度與功耗相矛盾的難題。