面向智慧城市的窨井蓋安全系統設計

王麗萍，劉 磊，曾 聰，肖思維

（1.鄭州輕工業大學 計算機與通信工程學院，河南 鄭州 450002；2.中國輕工業長沙工程有限公司，湖南 長沙 410114）

0 引 言

隨著窄帶物聯網（NB-IoT）應用的蓬勃發展，其逐漸成為了5G時代物聯網的核心技術。利用NB-IoT技術將感知層獲取到的狀態信息接入云平臺，推動著人與物之間和物與物之間的相互連接和通信[1-2]。本系統構建了一個基于NBIoT技術且可接入云平臺的智慧城市窨井蓋安全監測系統。傳統井蓋無法分辨出每個井蓋所處的具體位置，與傳統井蓋不同的是，本系統每個井蓋都有自己單獨的ID，能夠便捷地確定井蓋的實時位置。系統利用NB-IoT模組、采集控制器信息服務器和相關應用程序，通過傳感器感知井蓋的振動移位信息以及井下的甲烷濃度情況。通過感知節點，將收集到的數據發送到云平臺，工作人員可以隨時隨地通過云平臺查詢井蓋的狀態，從而做出判斷。

1 系統總體方案

1.1 設計思路

圖1所示為智慧城市窨井蓋系統接入云平臺的網絡架構設計思路。系統可分為4層：

圖1 系統設計思路

（1）井蓋狀態感知層由主控芯片、傳感器組成；

（2）通信層基于窄帶物聯網技術，信息經由通信模塊和數據中心上傳至基站和服務器；

（3）應用服務層通過物聯網云平臺將采集的數據進行分析、處理和存儲；

（4）用戶層通過電腦端或手機端顯示相應的狀態數據。

1.2 窨井蓋狀態感知終端節點硬件設計

窨井蓋狀態感知終端節點包括主控制模塊、通信模塊以及感知模塊。如圖2所示，采用STM32單片機作為整個硬件部分的主控制器。STM32主要用于完成與傳感器模塊和通信模塊之間的數據接收和傳輸。傳感器模塊選用兩類傳感器，分別是傾斜角度傳感器和可燃氣體（甲烷）傳感器。通信模塊用于感知模塊信息的無線上傳與定位。

圖2 窨井蓋狀態感知節點硬件組成

1.2.1 主控制模塊電路設計

感知終端節點主控制系統需要一個低功耗、低成本、較高性能的芯片作為主控制器[3]。結合本設計場景，最終采用了以ARM Cortex-M為內核的STM32系列中的STM32F103C8T6芯片作為本系統的微控制器。該芯片程序儲存器容量為64 KB，工作電壓為2～3.6 V，可在-40～85 ℃的環境下工作；具有低耗電、低電壓的特點，對工作環境要求低，適用于智慧城市的復雜道路環境。

1.2.2 傾斜角度傳感器模塊的設計

傾斜角度傳感器模塊采用的是GY-25和MPU6050，該模塊尺寸小、性價比高，是串口輸出格式；同時測量范圍大，能適應復雜的環境。

該模塊命令字節有5種由外部控制器發送至模塊（十六進制）的模式，分別是：查詢模式、自動模式、輸出模式、校正模式、結束模式。在模塊保持水平時能校正；在傾斜時，能夠返回其角度值，還可以清零[4]。

1.2.3 可燃氣體傳感器模塊的設計

由于井下可燃氣體主成分是甲烷，本系統采用的是甲烷傳感器MQ-4。傳感器的電導率隨周圍環境中可燃氣體濃度的變化而變化，濃度越高電壓越高，具有信號輸出指示，TTL輸出有效信號為低電平[5]。該傳感器需要搭配ADC0809芯片使用，它的內部具有轉換起?？刂贫恕⒁粋€5 V供電電源和8位分辨率模數轉換器。

1.3 NB-IoT模塊

為了能夠及時獲取井蓋的相關信息，便于管理者及時到達井蓋的所處位置進行排障處理，需要對其進行追蹤。系統選擇SIM7000C模塊，該模塊自帶電源，基于高通MDM9206平臺，支持NB-IoT，功耗超低，采用小型化封裝。支持自彈式Micro SIM卡座及SIM卡，無需增加轉換電路，模塊自帶網絡狀態指示燈。SIM7000C的配套天線是有源GPS天線，使用USB接口，用于測試AT和獲取定位信息。

1.4 系統云平臺

選擇由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺OneNET作為本系統的云平臺。OneNET 平臺能快速完成產品的注冊，實現設備接入；開發模板豐富，案例充足；支持多種協議，能夠接入各類物聯網設備，滿足各種跨平臺服務需求[6-8]。

2 系統功能實現

2.1 系統終端主程序設計

獲取數據、存儲獲取的數據、處理和傳輸數據是節點終端需要實現的主要軟件需求[9]。具體軟件要求如下：

（1）數據收集：需要收集井蓋傾斜程度以及井下的甲烷濃度信息。

（2）數據存儲：先將數據存儲一段時間，簡單分析處理后直接上傳到云平臺，減少傳輸的數據量，有利于提高數據傳輸的速度。

（3）數據處理：根據不同傳感器傳輸的不同數據，分別進行處理。

（4）數據傳輸：節點終端中主控芯片STM32F103C8T6通過串口對通信模塊進行配置，當它連接到網絡時，按照EDP協議連接到OneNET云平臺服務器。

（5）數據顯示：每一個終端節點也就是井蓋的相關信息都會在云平臺和手機APP中顯示，包括每一個井蓋歷史狀態數據和實時數據信息。

2.2 接入OneNET 平臺

將模組接入OneNET平臺時，需要完成如下平臺側和模組側的對接配置工作：

（1）平臺側流程—產品創建與設備注冊。首先創建EDP（Embedded，嵌入式DisplayPort）產品，然后創建EDP設備，最后進行設備管理。

（2）模組側流程—初始化模組及實體配置模組側設備。首先初始化模組駐網，創建實體設備，進行對象和資源設置，之后請求登錄，從而上報結果，實現平臺數據收發。

平臺利用數據流與數據點來組織設備上行數據，設備須以Key-Value的格式上傳數據；用戶可以將相關性較高的數據歸類為一個數據流，并自定義其數據范圍，數據流中的數據在存儲的同時可以“流向”后續服務[10-11]。平臺會默認以時序存儲數據流中的數據，從而可以查詢不同時間的數據點的值。用戶通過采用MIPLNOTIFY指令進行數據上報。數據上報流程如圖3所示。

圖3 數據上報流程

數據下發流程：平臺下發操作指令，模組接收到指令后發給 MCU，MCU執行響應和實現相關操作流程。本流程需要傳感器、MCU、模組、平臺相互配合進行操作。如果下發數據后，規定時間內平臺沒有收到數據回復，將會反饋操作超時，須及時響應反饋操作。

在設備管理流程中可以使用的幾種操作分別是：Discover操 作、Read操 作、Write操 作、Execute操 作、Write-Attributes操作以及Observe操作。如圖4所示，操作設備發送請求到平臺側，平臺側接收信息并做出回應，發送對應操作請求，設備收到指令后，執行操作，用戶檢查執行結果。

圖4 設備管理流程

3 系統調試驗證

本系統的節點終端通電之后，甲烷傳感器模塊、通信模塊和主控制模塊的報警指示燈會亮；NB-IoT模塊通過報警指示，可觀測數據傳輸的速率。同時在登錄OneNET云平臺之后，通過開發者中心可以看到聯網設備上線，圖5為設備狀態云平臺查詢界面。

圖5 云平臺查詢界面

可燃氣體測試系統如圖6所示，在手機APP端可以看到關于氣體指示的圖標由綠色變成了紅色。最終，在電磁干擾和模擬惡劣天氣條件下，系統經過測試，性能穩定，可以適應日常智慧城市應用場景。

圖6 可燃氣體測試

4 結 語

根據當前智慧城市窨井蓋安全檢測的需求，本設計盡可能實現終端節點的低功耗優化。根據系統要求，從低成本、高能效等方面考慮，選擇主控芯片并進行外圍接口電路設計。在功能上，系統通過NB-IoT模組接入OneNET云平臺，進行窨井蓋危險狀態監控，便于用戶查看；遇到異常情況，及時通知路政管理人員排除危險，促進智慧城市重要設施的安全管理。