基于云平臺的井蓋狀態監測系統設計

閆啟帆

太原工業學院，中國·山西 太原 030000

1 緒論

1.1 課題意義與背景

隨著中國城市化率不斷上升，井蓋作為城市地下管道系統的一部分，但監測已經成為困擾市政建設的難題。利用物聯網技術和通信技術建立井蓋監管系統，監測井蓋狀態并將其數據傳送到云服務器中實現動態監管，將成為智慧城市中一個重要的方面[1]。

該系統采用NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）窄帶物聯網無線通信技術，其優點為數據傳輸范圍廣、功耗低、穩定性強和制造成本低廉，適用于城市井蓋數據監測上傳的通信方式。

2 系統總體設計及關鍵技術

2.1 系統設計總體框架

NB-IoT協議低速率廣域網滿足了的智慧井蓋的要求。基于云平臺的井蓋狀態監測系統設計主要有三部分構成，即監測終端、無線通信模塊和數據監測平臺。

監測終端安裝于井蓋下，基于STM32微處理器連接無線通信模塊、顯示模塊、姿態傳感器、氣體傳感器、紅外避障傳感器收集井蓋傾斜角度、井窯內可燃氣體濃度、水位超位數據。

系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2.2 監測終端設計

井蓋狀態監測系統監測終端以STM32微處理器作為主控模塊連接傳感器模塊、無線通信模塊以及電源、報警模塊和顯示模塊。

狀態監測終端主控模塊選擇STM32微處理器，協調完成各個模塊的工作，實現信息交互功能。傳感器模塊由MPU6050姿態傳感器、MQ2煙霧傳感器和E18-D80NK避障傳感器組成。以移動通信BC26模塊作為NB-IoT無線通信模塊。

2.3 數據監控云平臺設計

OneNET云平臺是中國移動推出的開放物聯網云平臺。作為一種PaaS模式云平臺，自帶的開發者控制界面簡介，在其上開發者能簡單快捷的完成設備的注冊與接入[2]。OneNET云平臺作為支持多種物聯網傳輸協議供開發者使用。OneNET多種協議接入方式，開發者可按需選擇合適的協議。

2.4 基于NB-IoT關鍵技術

NB-IoT全稱是Narrow Band IoT，即窄帶物聯網，由3GPP組織多家通信公司開發的無線接口協議標準。主要是面向低速率、低功耗、長距離和多終端需求的LPWAN市場。構建于蜂窩網絡，獨立使用的180KHz頻段，可直接架設于蜂窩網絡之上。

NB-IoT優勢：具有可連接海量終端、超低功耗、深度覆蓋、穩定可靠、低成本等優點和優勢。

3 數據監測系統終端設計

3.1 主控模塊設計

主控模塊是數據控制終端硬件設計的核心，通過通信接口與傳感器模塊和無線通信模塊完成數據的收發。本設計選擇STM32L151RCT6最小系統作為終端的微處理器。STM32L151RCT6時意法半導體推出的基于Cortex-M3內核其結構簡單，開發難度低簡單易用。

3.2 傳感器模塊設計

通過傳感器模塊獲得井蓋狀態數據。使用姿態傳感器監測井蓋傾斜角度以此判別井蓋存在狀態；氣體傳感器監測井窯內可燃氣體濃度狀態；紅外避障傳感器監測水位超位狀態[3]。

3.3 姿態、煙霧和紅外避障傳感器選用設計

姿態傳感器選用MPU6050六軸傳感器模塊。通過該芯片可以監測井蓋自身的移動狀態。煙霧傳感器選擇MQ-2傳感器檢測可燃氣體濃度，通過二氧化錫作為氣敏材料在不同氣體中有特殊的電導特性，對天然氣和眾多可燃蒸汽的檢測靈敏度較高，檢測數值準確。紅外避障傳感器E18-D80NK對水位是否超位進行檢測，利用紅外光的反射原理計算出障礙物與的傳感器自身的距離。

3.4 無線通信模塊選擇

用于物聯網的主流無線通信技術主要有Wi-Fi、ZigBee、藍牙為代表的短距離方式和以NB-IoT、LoRa為代表的低速率廣域網。三種NB-IoT通信芯片對比見表1。

表1 通信芯片對比

通過比較可得知，BC26頻帶齊全，功耗最低價格最低，而且穩定安全是最具性價比的NB-IoT無線通信模塊。

4 軟件設計和云平臺設計

4.1 數據監測終端軟件設計

本系統終端選擇以C語言為開發語言，Keil5和STM32 CubeMX為編譯軟件。

4.2 傳感器和無線通信模塊程序設計

傳感器模塊分為姿態傳感器、煙霧傳感器和紅外避障傳感器三個。姿態傳感器通過IIC通信與STM32主控模塊連接，其他兩個傳感器以usart串口通信與STM32主控模塊連接。

無線通信模塊基于BC26進行程序編寫。主控模塊使用AT指令通過串口完成數據交互，達到上云服務器的目的。

4.3 數據監測云平臺設計

OneNET在物聯網的基本架構如下圖所示，作為PaaS層，OneNET可以作為處于SaaS層與終端設備之間，為用戶在SaaS層的應用開發服務。

5 系統功能測試

5.1 開發環境以及正常工作狀態

最終監測終端工作狀態下實物如圖2所示。

圖2 監測終端實物

5.2 結果分析

通過模擬環境測試，對各傳感器分別進行測試，測試結果顯示正常，系統可以正常運行，反應靈敏，系統具有很高的可靠性。測試出的數據與實際誤差較小，確保了系統的準確性。監測終端設備與云平臺之間信息傳輸延遲較小，實現了實時監控。

6 結語

本系統通過制作低功耗廣域網的監測終端設備并將數據傳輸至云平臺，在云平臺統一管理，解決了舊式井蓋管理模式的缺陷。

①通過對比多種無線通信技術、多家公司運營商的云平臺以及通信協議，經過比對挑選以STM32L151RCT6為主控芯片，BC26芯片為NB-IoT通信模塊，OneNET云平臺作為數據監測平臺。

②通過MPU6059傳感器能夠監測井蓋的傾斜角度；通過MQ-2煙霧傳感器監測井窯燃氣管線是否有泄漏的情況，通過E18-D80NK紅外避障傳感器通過紅外線反射的原理實現水位超位監測。

③設計無線通信模塊，編寫各模塊的程序設計，將收集的環境數據信息通過NB-IoT無線通信模塊和顯示模塊、電源模塊組合，完成各模塊之間數據交互。

④以OneNET云平臺作為系統數據存儲云平臺，將采集到的數據信息上傳至中國移動的OneNET云平臺上，實現了在Web端以清晰簡潔的界面查看數據信息。