基于NB-IoT 無線遠程通信技術的井下監測系統設計

張瀚，邱燦樹，文建鵬，何君如

（廣東電網有限責任公司潮州供電局，廣東潮州 521000）

隨著城市建設的不斷加快，城市覆蓋面積逐漸增大，井蓋等基礎設施的數量迅速增加，由于井下甲烷濃度過高或有毒氣體增加等原因，井蓋爆炸事故時有發生，給人們的生產生活帶來極壞的影響，為提升井蓋等基礎設施的安全性，市政部門對城市水利水電、能源燃氣、通信電力等方面進行了集中管理與完善，加大對井蓋的巡查力度，加強對井蓋的維護[1]。隨著互聯網技術的快速發展，單靠人力對井蓋進行巡查，監測效果較低，為此國內的專家學者們展開了相關的研究。

文獻[2]提出基于ZigBee 無線通信技術的井下監測系統，通過傳感器將井下氣體濃度等數據通過ZigBee 組網傳輸到網絡終端，利用RS232 總線與通信終端進行通信，由此實現對窖井蓋的遠程監測，但該系統對窖井蓋的監測精度低，且針對井蓋存在的風險沒有進行及時警報。文獻[3]提出基于電力線通信的井下監測系統，采用STM32F103 作為微控制器，采集井下安全隱患氣體指標，利用電力線載波芯片ST7540 實現數據傳輸，完成井下安全狀態的實時監控，該系統雖在一定程度上實現了井蓋的管理與監測，但系統穩定性較差。

為了解決以上問題，該文設計了基于NB-IoT 無線遠程通信技術的井下監測系統。

1 系統硬件設計

1.1 控制模塊設計

控制模塊的主控芯片采用了軍工級32 位超低功耗、高性能的MCU，該主控芯片的工作頻率為64 MHz，可與傳感器進行數據傳輸，內核為RISC 內核，整機休眠待機電流為3 mA，抗老化、耐腐蝕，可對電磁進行干擾，在井下可持續穩定工作，同時內部設有Flash存儲器，存儲空間可為512 kB 字節，此外，控制模塊具有兩個16 位定時器、兩個8 位的ADC、若干I/O 端口、三個SPI接口、一個UART接口、一個USB接口[4-5]。控制模塊如圖1 所示。

圖1 控制模塊

根據圖1 可知，主控芯片主要將傳感器采集的井下甲烷濃度數據、液位數據、壓力與位移數據等進行打包，然后傳輸給NB-IoT 通信模塊，控制模塊中的ADC 接收到指令后，退出PSM 狀態，進入控制模式。

1.2 傳感器模塊設計

傳感器模塊主要負責采集井下水位變化數據、井蓋壓力數據、有毒有害氣體濃度數據、井蓋偏移數據，因此傳感器模塊需要四種傳感器，四種傳感器分別為液位傳感器、壓力傳感器、甲烷傳感器與三軸加速度傳感器。

液位傳感器的型號為壓差式液位傳感器TD-183，當井下水位變化時，液位傳感器采集水位變化數據，并以電壓差的形式進行監測。

壓力傳感器主要采集井蓋的壓力數據，當井蓋被沙子、汽車等物體長期擠壓時，會對井蓋造成一定的損傷，從而降低井蓋的壽命，壓力傳感器通過數據轉換形式采集完井蓋的實時壓力數據后，將其通過I2C 通信方式進行傳輸[6-7]。

甲烷傳感器的工作原理：當甲烷傳感器檢測出井下存在有毒有害氣體時，會產生一定大小的電流，將電流信號通過I/O 端口進行輸出，一旦井下有毒有害氣體濃度上升時，I/O 端口的電流值將增大，再利用A/D 轉換對電流值進行檢測，測出有毒有害氣體濃度。

采用三軸加速度傳感器監測井蓋的位移或者是否發生異常振動情況，采用ADTK632 型三軸加速度傳感器，該傳感器具有休眠與工作兩種模式，當加速度傳感器檢測到井蓋位移發生變化時，將位移變化數據與標準位移進行對比，如果檢測到的位移數據較大，三軸加速度傳感器會轉化為工作模式，如果位移數值符合標準，則傳感器進行休眠模式[8-9]。

1.3 NB-IoT通信模塊設計

NB-IoT 通信模塊主要負責將傳感器模塊采集的水位數據、有毒有害氣體濃度數據、壓力數據、位移數據以無線遠程通信的方式發送到井蓋報警器。NB-IoT 通信模塊包括NB 卡卡座、多個通信串口、電路開關、濾波天線等，該NB-IoT 通信模塊采用LCC進行封裝，與傳感器模塊以UART 接口進行通信，該模塊工作電壓為3.3 V，瞬時電壓為4.8 V，根據傳感器模塊的休眠與工作模式可對功耗進行調整。當傳感器模塊將井蓋相關數據傳輸過來后，控制模塊給NB-IoT 通信模塊發送指令，使其打開無線通信模塊，通過NB-IoT 無線網絡發送至井蓋報警模塊的服務器上，發送完成后進入待機模式，等待控制模塊的下一次喚醒[10-11]。

1.4 井蓋報警模塊設計

井蓋報警模塊主要根據NB-IoT 通信模塊傳輸的井蓋數據向監測終端發送報警信息。井蓋報警模塊包括井蓋報警器、報警LED燈、蜂鳴器，井蓋報警器的工作頻率為3.6 GHz，功耗較低，當NB-IoT 通信模塊將井蓋數據發送過來后，控制模塊將報警模塊喚醒，使其進行工作模式，井蓋報警器根據NB-IoT 發送的數據，發送報警信號，并控制LED 等進行閃爍[12-13]。

2 系統軟件設計

井下監測系統的軟件流程如圖2 所示。

圖2 井下監測系統的軟件流程

監測系統初始化操作流程如下：對控制程序進行初始化，完成后，對主控芯片、各種接口、定時器、NB-IoT 通信程序、傳感器、報警程序進行初始化，對傳感器發送喚醒指令，使其進入工作模式，傳感器模塊開始根據定時器設定的時間進行采集，然后將采集完成的井蓋壓力數據、井下有毒有害氣體濃度數據、井蓋震動、位移數據、井下水位變化數據一并傳輸到NB-IoT 通信程序上，NB-IoT 通信程序將接收到的井蓋相關數據與對應井蓋的編碼、位置等信息發送至井蓋報警程序上[14]。井下水位變化計算公式為：

其中，Z為監測到的水位變化；α為監測參數；κ為監測次數；W表示監測的水質情況；A表示監測水深。

監測發送指令計算公式為：

其中，M為監測發送指令；T為監測時間。

然后，發送報警信息。井蓋報警模塊接收到NB-IoT 通信程序發送的井蓋相關數據后，由控制程序向井蓋報警程序發送鑒權指令，井蓋報警程序接收到鑒權指令后，向控制程序發送反饋指令，這時說明控制程序與井蓋報警程序連接成功，否則繼續向報警程序發送指令，直至發送成功。連接成功后，報警程序進入工作模式，根據NB-IoT 通信程序發送的水位數據判斷井下水位是否溢出，如果溢出，則發送報警信息1，沒有溢出，發送報警信息0；根據井蓋位移數據判斷井蓋位置是否超出標準，如果超出標準，發送報警信息1，沒出超出標準，發送報警信息0；根據井下燃氣濃度數據判斷此時井下燃氣濃度是否超標，如果超標，發送報警信息1，若沒超出，發送報警信息0。監測終端接收報警信息，并控制報警程序進入休眠模式[15]。

最后，針對問題井蓋進行實時定位與導航。監測終端接收報警信息后，巡檢人員根據監測終端顯示的問題井蓋的位置信息、編碼、井蓋采集數據等，使用手機開啟后臺報警服務，向監測終端發送請求，監測終端對其進行響應后，巡檢人員查詢歷史數據，對問題井蓋進行地圖定位與導航[16]。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的基于NB-IoT 無線遠程通信技術的井下監測系統的有效性，選用該文設計系統和文獻[2]系統、文獻[3]系統進行實驗對比。

設定實驗參數如表1 所示。

表1 實驗參數

在監測過程中，井下通信監測系統將會受到干擾信號干擾，三種系統得到的監測穩定性實驗結果如圖3 所示。

圖3 監測結果

觀察圖3 可知，文獻[2]系統在受到干擾后，在0.4 s 時，系統電壓出現了崩潰，電壓值開始、大幅度地波動，穩定性極差，崩潰結果難以控制。文獻[3]系統在受到干擾后，0.8 s 后，電力系統的運行狀態也基本呈現崩潰狀態，監測系統內部電壓趨于極值，電壓穩定性問題十分突出。該文提出的系統所受影響最小，在運行時間為0.8 s 后，系統出現了電壓波動，電壓值大幅度增加，這種狀態維持到1.8 s，1.8 s 后電壓波動得到有效控制，電壓再次回歸到相對穩定的狀態。

分析上圖監測過程的電壓穩定性，可知三種系統在受到干擾的狀況下，監測狀態都會受到影響，并出現波動，傳統的兩種監測系統在受到外界干擾后，都出現了電壓崩潰的狀態，監測能力較差，難以實現精準監測。該文研究的系統雖然也出現了較大幅度的波動，但是在短時間內得到控制，運行狀態相對較好。

在確定三種監測系統受干擾狀態下的監測能力后，對監測系統的數據丟失率進行分析。

根據圖4 可知，隨著監測電壓的增加，數據丟失率也在不斷下降，該文系統在電壓為0.48 V 時，監測系統數據丟失率已經為0，然而文獻[2]系統在電壓為0.59 V時，監測系統數據丟失率才能達到0，文獻[3]系統電壓為0.63 V 后，監測系統數據丟失率才完全沒有。

圖4 監測系統數據丟失率

由此可見，該文提出的監測系統能夠快速實現數據不丟失，整體監測能力都要優于傳統系統。

4 結束語

為了對井蓋進行集中管理與維護，設計了基于NB-IoT 無線遠程通信技術的井下監測系統，通過設計的監測系統，實現了對城市井蓋的管理與維護，減少了井蓋維修人員的勞動量，降低了井蓋爆炸事故與“井蓋吞人”發生的概率，能夠為維護人們的生命財產安全作出一定貢獻。