基于NB-IOT技術的智慧井蓋監控系統設計及測試分析

馬斯斯，劉 念，金鑫城

(國網北京亦莊供電公司，北京 100176)

在當前城市化進程不斷加快的情況下，市政公用設施建設發展迅速，大多公共設施的線纜采取地埋方式，并通過井下維護方式進行管理，這種維護方式由于缺乏科學有效的管理手段，導致井蓋丟失問題頻發，影響設備的正常運行與交通安全。另外，由于缺少對井下狀態的實時監控，導致水位與危害氣體不能及時管理，出現嚴重的公共安全事故。基于此，需要加強城市井蓋的維護與安全管理。根據當前物聯網技術的發展，可使用NB-IOT技術開發智慧井蓋監控平臺，通過集成傳感器實現對井下狀態的實施監測與遠程管理，實現自動報警與精準定位，有效提升井蓋管理效率，減少井蓋安全事故的發生。

1 NB-IOT技術和智慧井蓋概述

1.1 NB-IOT技術

NB-IOT技術為窄帶物聯網技術，屬于萬物互聯網絡的重要分支。作為物聯網領域中的一個新興技術，NB-IOT技術以蜂窩網絡為基礎，在消耗極低信號寬帶網絡的情況下實現多領域網絡覆蓋，能夠有效降低部署成本，實現高效網絡連接，滿足不同類型的互聯網業務需求[1]。

NB-IOT具有這樣幾種顯著特征：(1)廣覆蓋性。基于運營商蜂窩網絡的物聯網，可以實現在相同頻段下超越當前GSM網絡約20 dB的優化，有效提升網絡覆蓋面積，能夠在地下管道、車庫等信號較弱領域進行有效使用。(2)連接普適性，NB-IOT具有支持高效連接的作用，一個扇區支持10萬個連接，并支持延遲低、敏感度低和設備功耗低等連接要求較高的網絡架構需求，適應性較高。(3)低功率性，NB-IOT的終端模塊具有長達10年的待機時間，在省電技術的應用下，可以有效降低能量損耗，延遲電池使用壽命，NB-IOT 聚焦小數據量、小速率應用，因此NB-IOT設備功耗可以做到非常小，設備續航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。(4)低成本性，單個NB-IOT連接模塊與芯片價格費用較低，可以有效降低網絡部署成本，在海量終端設備的批量接入下，價格可以進一步降低，為海量終端設備接入提供成本保障。

1.2 智慧井蓋

智慧井蓋是基于智慧城市建設中的智能管理設計。在當前城市井蓋數量繁多且產權復雜的情況下，井蓋管理較為困難，年久失修的井蓋缺少良好的通風換氣功能，容易導致安全風險的出現，加上缺少實時監控，盜竊井蓋的問題經常發生。在提升井蓋管理質量，推動智慧城市建設的背景下，引入智慧井蓋平臺，提升井蓋管理的智能化程度，將物聯網終端與井蓋緊密結合，實現信息互通與實時管理。智能型通風井蓋，利用光伏給設備供電，起到節能環保。在特殊環境可用市電和光伏發電做雙電源[2]。由于智慧井蓋平臺系統處于地下空間，數量繁多，為保證高效網絡接入，降低網絡部署成本，可以利用NB-IOT技術實現智慧井蓋的物聯網終端設計。基于NB-IOT技術的智慧井蓋系統能夠提升物聯網覆蓋面積，降低網絡延遲，由于NB-IOT省電模式的利用，其電池電量可以支持多次的井蓋閉合，滿足多種傳感器的實際作用發揮，實現井內環境監測、井蓋通風、井蓋防盜與遠程操控等功能的實現。

2 平臺系統方案與需求分析

智能井蓋平臺主要由智能監控中心軟件平臺、智能監控中心鎖、物聯網電池以及Nb發射器組成，同時融合了各種智能終端設備，內部裝有電子鎖，具有防偷盜功能，且監控主板可監控井蓋及井下信息。利用多種類型傳感器實現各種場景的應用，主要傳感器包括加速度傳感器、行程開關傳感器、電子鎖、水位傳感器、可燃氣體傳感器等。平臺系統功能的實現主要利用手機APP的業務平臺，確定想要執行的功能，應用終端在利用傳感器收集各種數據之后，利用現有NB移動基站進行信息傳輸，數據流通過PDN網關與物聯網平臺，傳輸至業務平臺，最終在手機APP業務板塊中呈現至管理人員[3]。

根據智慧井蓋平臺的描述，總結其系統功能需求主要體現在這樣幾個方面：

(1)視頻播放功能。能夠對靜態圖片與動態視頻進行播放，對2 m范圍內走向井蓋的行人進行自動檢測，保持監控畫面旋轉，使監控畫面始終面向第一位觸發自動開啟裝置的人；

(2)防盜功能。以驗證代碼的方式進行井蓋開啟，開啟方法包括監控中心遠程開啟與現場終端設備掃碼開啟，在掃碼無法開啟的情況，只需輸入設備編號認證即可開啟。任何非法開啟行為都會在移動終端進行報警；

(3)數據交換。通過互聯網平臺進行終端與后臺之間的數據交換，實現軟件升級。數據更新主要體現在廣告宣傳、新聞播放與活動直播等方面；

(4)遠程監控。通過后臺監控中心與移動APP終端設備實現對視頻播放內容及井蓋開啟工作狀態的實時監控。能夠對所有終端井內的濕度、溫度、水位與有害氣體進行環境數據采集，在發生異常情況及時報警處理；

(5)自動開啟。設計獨立的開啟裝置，不僅能夠提升防盜效果，同時也方便授權工作人員進行井下維護作業。可以在監控中心與移動端APP終端設備中發送解鎖指令，實現井蓋開啟，井蓋降落后執行井蓋關鎖指令；

(6)自動換氣。針對當前各地區井內氣體爆炸現象的出現，設計井蓋自動換氣功能，通過傳感器收集井內氣體濃度數據，設置指定參數，在氣體濃度達到標準參數范圍之后自動啟動換氣程序，降低井內氣體爆炸現象的出現。

3 平臺硬件設計

3.1 系統架構

該智慧井蓋監控系統平臺的系統構成主要包括數據采集層、通信層、應用服務層與應用終端。數據采集層對應井蓋終端節點，以傳感器對井內溫度、濕度、水位與氣體濃度進行實時監測與在線異常狀態報警，收集各類井內信息。通信層是運營商的移動網絡基站，實現數據傳輸功能，接收來自井蓋終端傳感器的各類信息數據，并傳輸至服務器進行下一步分析[4]。應用服務層主要是負責對所傳輸數據的分析與儲存，核對數據中的相關參數并進行發布[5]。應用終端包括web端與移動端，也就是后臺監控中心與手機移動APP，這些終端設備在接收來自服務器的數據之后，將數據呈現至管理人員，并進行異常數據警報，以便管理人員根據數據進行相應操作。整體系統架構如圖1所示。

圖1 智慧井蓋檢測系統架構圖Fig.1 Architecture of Smart manhole cover Detection System

3.2 主控制器的電路設計

為實現主控制模塊與傳感器模塊之間的良好數據信息傳輸，保證傳感器功能的有效發揮，可采用ARM Cortex-M內核的32位系列微控制器作為主控制器，基于智慧井蓋監測系統平臺的功能需求，選擇STM32F103RBT6單片機進行使用。此型號的微控制器為增強型系列，具有64引腳數量，適合在40～85 ℃的環境下工作。最高工作頻率72 MHz，存儲器為Flash存儲器與SRAM存儲器，具有低功耗的特征，以休眠、停止與待機3個模式減少電能損耗。在通信接口方面，在搭載標準通信接口的基礎上，增添更多先進的通信接口，最多通信接口數量為13個，滿足個性化的網絡配置需求[6]。基于STM32F103RBT6的電源供電方案為，以外部電源提供電源電壓，電壓范圍為2.0～3.6 V，VSSA和VDDA的電壓范圍為2.0～3.6 V，并連接到對應的電源。在電源管理方面，設置完整的POR與PDR電路，能夠保證設備啟動與使用電壓的穩定性，在電源電壓低于下限的時候，不需要手動復位也能保持在復位模式。

STM32F103RBT6芯片的應用，主要支持智慧井蓋終端傳感器完成數據采集與傳輸功能。數據采集：行程開關傳感器與加速度傳感器，對井蓋打開發生位移產生加速度時發送進行信息；溫度濕度傳感器實時檢測井內溫度濕度變化；可燃氣體傳感器能夠對井下可燃氣體濃度進行實時監測；水位傳感器實時監測井下水位變化情況，當水位超出標準值后發送預警信息。數據傳輸：傳感器收集數據之后傳輸至通信模塊，NB-IOT模塊在收到芯片指令之后進入連接狀態，利用射頻網絡發送數據到服務器進行下一步的分析與存儲[7]。

3.3 NB-IOT模塊設計

NB-IOT通信模組在STM32F103RBT6芯片指令的控制下進行數據調制，以射頻信號的方式將數據傳輸至移動基站，并接收來自基站的射頻信號，同樣調制之后轉化為數字信號傳輸至微控制器，實現控制器與基站之間的數據信息傳輸。NB-IOT通信模塊主要包括BC26模塊、濾波天線、指示燈與SIM卡座等，由鋰電池提供電能。此平臺NB-IOT通信模塊采用的是MTK平臺的新款NB-IOT BC26模組，厚度2.0 mm，長寬分別為15.8 mm和17.7 mm，質量1.2 g，供電電壓2.1～3.63 V，典型供電電壓為3.3 V，發射功率為2.3 dB，以LCC封裝兼容移動遠程通信，實現NB-IOT網絡的靈活切換。外部接口支持OpenCPU功能，同時也支持各種物聯網云平臺的連接，提升應用普適性[8]。

為滿足NB-IOT技術的實際應用場景，BC26模組具有3種不同的工作模式，根據實際平臺工作需求，實現不同場景之間的模式轉化，尤其是PSM工作狀態下的電流為5 μA，在極大程度上降低能量損耗。在微控制器處于待機狀態的情況下，無線通信模塊被關閉進行休眠狀態，在傳感器收集并需要信息，向單片機發出喚醒信號的情況下，單片機執行一系列開啟指令，BC26模組退出PSM模式并開始工作，實現數據傳輸功能。當經過特定時間沒有收到來自單片機的工作執行，BC模塊將自動進入休眠模式，以此降低功耗。

3.4 傳感器模塊設計

系統平臺功能的發揮，來自于傳感器對井下數據信息的收集，結合NB-IOT技術特性與智慧井蓋數量情況，應遵循低功耗與安全穩定的原則，進行傳感器的選擇與模式設計。

3.4.1液位傳感器

本系統平臺選擇壓差液位傳感器，當井下水位發生變化并超過預定值的時候，可以產生電壓差，傳感器檢測到電壓差信號來對井下水位實施監測。水位監控系統組網結構如圖2所示。

圖2 水位監控系統組網結構圖Fig.2 Network structure diagram of the water level monitoring system

3.4.2壓力傳感器

為保證井蓋的長期使用，需要對井蓋所承受壓力進行檢測。布置壓力傳感器，主要包括壓力傳感器模塊和數據轉換模塊，在傳感器收集到壓力數據之后，經過數據轉化模塊實現信號轉換并傳輸至STM32處理器當中，在主系統中設置壓力參數值，在壓力大于參數值一定時間之后發出報警信息，聯系工作人員進行現場察看。

3.4.3氣體傳感器

監測氣體種類：可根據窨井類型，搭配使用氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、可燃氣體傳感器等多種類型的傳感器。氧氣傳感器采用專業測試氧氣濃度傳感器探頭作為核心檢測器件；具有測量范圍寬、精度高、線性度好、通用性好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠、價格適中等特點。氧氣測量范圍：0%～30%，氧氣精度：<±讀數3%(25 ℃)。一氧化碳傳感器，傳感器內輸入電源，感應探頭，信號輸出3部分完全隔離，采用電化學探頭，相較于傳統的半導體探頭具有更高的精確度和穩定性，CO精度：<±讀數3%(25 ℃)，波特率：2 400/4 800/9 600，通訊端口：RS485。可燃氣體傳感器，可燃氣體傳感器采用專業測試可燃氣體濃度傳感器探頭作為核心檢測器件，具有測量范圍寬、精度高、線性度好、通用性好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠、價格適中等特點，LEL測量范圍：0%～100%LEL，測量方式：催化燃燒式，通訊端口：RS485。

3.4.4加速度傳感器

為防止井蓋失竊，本系統平臺采用加速度傳感器對井蓋的傾斜程度進行監測，以睡眠與喚醒兩種工作模式實現低功耗的監測。當加速度傳感器偏移程度大于設定參數的情況下，自動喚醒單片機進入工作狀態，并將傳感器所采集到的20次加速度值傳輸至微控制器，計算20次加速度的平均值，在超過設定閾值的情況下將報警信息傳輸至服務器，在低于設定閾值的情況下，單片機自動停止工作進入待機模式。

4 平臺軟件設計

4.1 監控終端的軟件設計

監控終端軟件設計包括主程序、終端服務程序與服務接收程序。主程序流程為：首先對系統與NB-IOT模塊進行初始化，初始化完成之后，STM32與定時器同時進入休眠狀態，達到定時器所設定的時間之后進入工作狀態，向傳感器發送查詢命令，實現對井內各項數據的采集與傳輸，并將特定數據上傳至服務器。

4.2 管理系統的軟件設計

該系統管理平臺采取管理云平臺的方式，通信協議為MQTT。精訊暢通智能物聯網云平臺用于設備的集中遠程統一管理。該平臺基于先進的瀏覽器/服務器(B/S)架構，用戶通過WEB瀏覽器即可對設備進行遠程監控、配置和管理，使用簡便，可大大降低設備管理成本。平臺主要功能包括這些方面：(1)支持多方終端系統管理，包括PC端瀏覽器、手機APP與微信公眾號等；(2)遠程監控與配置功能；(3)提供精準的GPS地圖，可進行實時軌跡、歷史軌跡與電子圍欄的查詢；(4)遠程報警功能，在相關參數超過閾值之后自動發送報警信息；用戶管理，進行管理端的分級分權限管理，設置獨立的操作密碼，可實現用戶端自主功能開發[9]。

4.3 手機終端的軟件設計

該系統平臺支持各類型手機終端，包括手機APP與公眾號，圖3為搭配定位平臺的手機端公眾號管理界面。手機終端軟件主要針對管理人員的管理使用進行設計，適合多種系統，搭配高德地圖定位平臺，實現對各個井蓋的遠程定位管理。設計井下水位模塊、氣體監測模塊、用戶管理模塊、報警模塊等多類型手機操作模塊，用戶可以點開任意模塊進行井下狀態監測。當井蓋發生異常并發送報警信息時，針對報警信息類型，直接轉入出現異常狀態的井蓋地圖位置，實現定位與導航功能。以井蓋傾斜翻動為例分析運行流程，在井蓋被翻動產生傾斜的情況下，加速度傳感器產生外部中斷，喚醒處于休眠狀態的單片機，程序進入外部中斷的服務程序，對傳感器所傳達的加速度信息進行傾角計算，并與所設定閾值進行對比，在超出設定閾值的情況下喚醒通信模組，數據經過服務器形成報警信息，呈現至管理后臺。

圖3 手機端公眾號智慧井蓋管理界面Fig.3 Smart manhole cover management interface of mobile phone public number

4.4 測試與調試分析

該系統在經過多次的測試之后，結果表明各項模塊數據穩定運行，達到預期效果。系統運行情況的測試方法為：建立維護端口，配置1臺專用電腦，安裝中心管理維護軟件，對各在線監測基站進行監控：通過短信功能，讓技術人員第一時間獲得在線儀器的運行情況；通過網上發布的數據信息，實時了解系統運行情況，完全實現及時、快速的發現問題和解決問題的目的。關于設備的功耗測試，要求在井下利用鋰電池進行長達數年的正常運行，對設備功耗要求極高，為達到降低功耗的目的，在程序設計環節加入休眠模式與喚醒模式等工作模式，設計中斷裝置，在傳感器接收到異常井下信息時候觸發中斷裝置，喚醒通信模塊，使監測終端與信息終端始終處于低能耗運行的狀態。采用萬能表對本系統平臺設備的功耗進行測量，發現運行電能功耗為78 μA符合低能耗運行標準[10]。對通信信號強度的測試，需以實地安裝測試為標準，由于井蓋材質等因素的影響，信號在傳輸過程中可能發生一定程度的衰減，為進一步驗證井下通信性能，可以采取多個智慧井蓋終端數據平均值進行測試。經過實地測試之后發現，由于移動信號基站NB-IOT網絡部署的影響，在建筑物較多、信號強度差的區域，經過井蓋的衰減，會出現無法連接后臺的情況，針對這種情況，在該區域布置了螺旋天線，將其工作頻段與NB-IOT保持一致，實現信號強度增益，效果良好。

該系統平臺的調試包括程序代碼調試與串口調試。針對程序代碼調試，采用J-LINK作為實際調試工具，將USB接口轉化為SW-DP接口，在PC端利用相關軟件進行程序代碼編寫，編寫完成會檢測運行可行性并生成執行文件，由調試工具下載到智慧井蓋的單片機當中，完成對設備的調試。對于串口調試來說，主要針對設備與物聯網平臺之間的通信穩定性進行通信模組AT指令調試，由于在實際通信過程中指令交互情況較多且不能出現差錯，所以可以采用串口調試助手實現輔助調試，連接通信模塊與PC端的串口管腳，在PC端模擬單片機與通信模塊之間的信息交互情況，以保證程序運行的正確性。

5 結語

本文設計了基于NB-IOT的智慧井蓋及監控平臺。首先介紹NB-IOT技術和智慧井蓋，分析NB-IOT技術的主要優勢，結合智慧井蓋的功能需求，設計出平臺系統的整體方案，以應用層、平臺層、網絡層與設備層實現系統平臺的運行。在硬件設計方面，主控制器采用STM32F103RBT6芯片，NB-IOT通信模塊采用BC26模組，傳感器包括壓力、氣體、加速度等傳感器，實現各種監測功能。在軟件設計方面，進行監控終端、管理系統與手機終端的軟件設計，并對平臺運行穩定性、能耗與信號連接強度進行測試，保證系統平臺的整體運行效果，實現對城市井蓋的智慧智能管理。