基于NB-IoT 的閩北高速公路高邊坡智能監測系統設計

焦金濤，譚鈞文，陳金水

（武夷學院物聯網工程系，武夷山354300）

0 引言

智慧公路建設，國內各地公路局一項重要建設內容。到現在來說，伴隨著國家交通事業的快速穩定的發展，國民經濟水平的不斷提高，高速公路已然成為人民出行中比較重要的交通設施之一。在閩北山區高速公路的建設中，因為其地形地貌的問題，形成了大量邊坡。根據不同的分類方法，地址體的應力狀態因為降雨或者施工等方面的影響發生改變，會引發大量的地質災害。這些災害突發性較強，分布范圍廣，對公路危害較大。為了保障公路的安全，防止當邊坡發生滑坡、崩塌等病害時，造成路段嚴重擁堵和相關人員的傷亡以及財產損失，需要對高邊坡進行安全監測。本項目主要實現傳感器節點自動采集和存儲數據，采用NBIoT 技術將數據傳輸至服務器，實現節點數據采集的廣覆蓋，從而提高高邊坡安全監測水平，實現全天候、無人值守及自動監測。

1 總體設計

我們研究的這套系統的硬件端主要是通過各類傳感器進行NB-IoT 通信[1]。NB-IoT 應用架構（Application Architecture）整體描述NB-IoT 應用開發所涉及的基本知識結構，主要體現開發過程所涉及的微控制器（MCU）、NB-IoT 通信、人機交互系統等層次。

從應用層面的技術開發角度來說，NB-IoT 應用架構（如圖1）可以抽象為NB-IoT 終端（UE）、NB-IoT 信息郵局（MPO）、NB-IoT 人機交互系統（HCI）三個組成部分，這種抽象為開發NB-IoT 應用提供了理論基礎。

圖1 NB-IoT應用架構

我們從這三個層面去實現高邊坡的智能監控（如圖2），本套套件的數據采集節點采用NXP KL36 作為主控MCU，采集節點和MCU 聯絡使用NB-IoT 技術，通過將采集節點采集到的降雨量、土壤溫濕度、土壤含水量、相對位移，和高邊坡傾斜度等信息使用NB-IoT模塊上傳至服務器，數據上傳的頻率為1-2 小時1 次，節點軟件使用C 語言開發，不加入實時操作系統以降低開發難度。同時因為采用了NB-IoT 技術將數據傳輸至服務器，我們可以基本實現節點數據采集的廣覆蓋。從而提高高速公路高邊坡安全監測水平，實現全天候、無人值守及自動監測。

圖2 系統框架圖

2 系統硬件構成

因為閩北地區春冬季陰雨天較多，所以我們針對閩北地區的高速公路邊坡進行多方面的分析。在降雨后高速路高邊坡下方更可能生成地下水池，從而會造成邊坡的沉降。本項目對一代成果進行分析，擬引入多孔碳管與液面傳感器，對地下水位進行一定的分析。同時，針對邊坡的網狀結構，在網格交匯處進行受力數據采集，對邊坡應力平衡進行數據采集。此外，使用激光測距，進行監測節點和邊坡之間的距離測量，從而分析出是否會出現輕微滑坡現象，同時為了提早預防邊坡變形造成的傷害，我們用拉線式傳感器采集邊坡移位數據，測斜儀采集邊坡傾斜變化信息[2]。另外我們使用市面上面較常見的DHT11 傳感器來采集溫濕度的數據，雨量計采集降雨量的信息，同時使用485 總線型土壤濕度傳感器采集土壤含水量（如圖3）。

我們的采集節點使用NXP KL36 作為主控MCU,KL36 擁有較好的穩定性，適用于野外復雜多變的環境中。主控MCU 和各節點相互配合工作，將數據傳輸到服務器。同時，因為內部各節點大多使用的是NB-IoT通信技術，所以功耗低，工作時間長，可以長期布設在野外。

3 服務器的程序設計

云端服務器采用C#語言開發，同采集節點建立TCP 連接，完成數據的上行及命令的下發；服務器同App 及Web 客戶端建立WebSocket 連接，允許服務器主動推送數據至客戶端，及時顯示預警提示信息。

圖3 系統硬件構成

4 客戶端程序設計

針對本次研究我們設計了多種形式的客戶端模式，主要為手機App 及Web 網頁[3]。手機App 開發使用的Android Studio 是基于IntelliJ IDEA 的谷歌開發Android 應用開發集成開發環境（IDE）。Web 開發使用的JavaScript 這種直譯型腳本語言，和App 一樣，都是從服務器上接收數據。具體顯示的內容采用H5 技術開發。通過這種顯示方式，可以使監測節點數據更友好，更方便呈現。

5 硬件系統和軟件的通信

NB-IoT 的信息郵局可以從很多個角度去看待。

從物理角度，戶外的鐵塔與NB-IoT 基站路由器組成了NB-IoT 基站。鐵塔是基站路由器的外部支撐機構，通過將NB-IoT 基站路由器高高地掛起，從而增強了NB-IoT 基站路由器的信號，進而提高了其無線覆蓋范圍。從應用開發用戶編程角度來看，NB-IoT 基站路由器是個連接云服務器和個人用戶使用端的中間過渡。

云服務器CS 的組成，可以使實體服務器，也可以是分散的云服務器。對于開發者來說，它就是具體信息偵聽功能的固定IP 地址與端口。一般來說，使用云服務器，是需要通過給信息郵局MPO 運營商或第三方機構申請并交納費用才可以使用的。

云服務器通過一個固定的IP 地址接收終端UE 向固定端口發送的數據，通過偵聽程序負責接收這些數據，偵聽程序主要負責監視UE 是否有發來數據，若有數據就把它收下來放入數據庫，還要負責把人機交互系統HCI 要送給終端UE 的數據發送給終端。

云服務器具有固定的IP 地址和端口號，是偵聽程序及數據庫的物理支撐。在云服務器里面可以完成偵聽程序及數據庫的更新和運行，云服務器的訪問需要用戶名和密碼。通過手機App 或者Web 網頁在云服務器上讀取需要的數據從而顯示在個人設備上。如圖4。

圖4 設備布設實景

6 項目特色

本項目考慮到閩北春冬季陰雨天較多，夏秋季光照較強，同時邊坡位置一般風力較大，所以我們設計采用太陽能為節點提供電源。針對春冬雨季缺少太陽的特點，我們給設備配備了蓄電池，將多余電力存儲，保證節點的電力供應。針對雨季缺少太陽為了提高使用壽命，我們在設計節點程序過程中優化程序，通過程序控制使芯片在兩次數據采集間隔期間休眠，減少電力消耗；并且在節點和傳感器內設計開門狗定時器，防止程序跑飛。

7 結語

本文主要對閩北高速公路高邊坡智能監測系統進行了設計，從系統硬件和后臺軟件兩個方面進行了闡述[4]。通信系統基于NB-IoT 技術開發，將硬件及其軟件兩部分結合起來。硬件部分通過微控制器MCU 及其最小硬件系統連接雨量計、溫濕度傳感器、位移傳感器及測斜儀等傳感器實現環境及邊坡信息檢測，采集相關數據，并傳輸至服務器。軟件部分包括通信軟件，Web 網頁和App 三個部分，通信軟件在硬件節點和服務器之間建立TCP 連接，借由通信模組和NB-IoT 網絡傳輸數據，并完成信息的云端智能高效存儲，通過Web 網頁可以接收數據并靈活展示數據。開發出的套件具有模塊化集成，采集精度高，靈活性強，高性能等特點，具有較高的應用價值和很大的市場空間。