一種基于NB-IoT技術(shù)的智能井道監(jiān)測(cè)裝置

摘 要：隨著井道系統(tǒng)成為城鎮(zhèn)防汛的關(guān)鍵因素，本文提出了一種基于NB-IoT技術(shù)的智能井道監(jiān)測(cè)裝置。裝置以STM32嵌入式處理器為核心，采用超聲波和非接觸電容式液位傳感器實(shí)現(xiàn)井道液位檢測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)井蓋姿態(tài)角和井道可燃?xì)怏w濃度，并通過(guò)NB-IoT將信息進(jìn)行定時(shí)上報(bào)處理，能夠極大提高監(jiān)測(cè)效率并降低人工成本，為窨井井蓋的監(jiān)測(cè)維護(hù)工作提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：NB-IoT技術(shù)；STM32；液位檢測(cè)；超聲波；非接觸電容式液位傳感器；GNSS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39；TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-00-02

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展與工業(yè)化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)井道系統(tǒng)成為防汛排水的關(guān)鍵因素。盡管城市化公共設(shè)施建設(shè)在飛速發(fā)展，但由于城鎮(zhèn)中井蓋數(shù)量大，分布廣且分散，監(jiān)管耗費(fèi)極大的人力物力。同時(shí)，近年來(lái)井蓋因傾斜、位移、溢水和人為破壞、盜竊等問(wèn)題[1-3]，造成了巨大的財(cái)政損失和社會(huì)安全問(wèn)題。故考慮使用NB-IoT技術(shù)[4-5]實(shí)現(xiàn)低成本，低功耗，且覆蓋廣泛的監(jiān)測(cè)裝置。該監(jiān)測(cè)裝置可以及時(shí)向上預(yù)警管道液位、井蓋傾斜程度，并且提供其定位，方便維修人員快速獲得窨井的狀態(tài)信息并及時(shí)維護(hù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

基于NB-IoT技術(shù)的嵌入式窨井液位監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要功能是對(duì)窨井井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并上傳數(shù)據(jù)至云平臺(tái)；當(dāng)窨井液位高于非接觸電容式液位傳感器的檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，傳感器響應(yīng)，觸發(fā)小角度超聲波測(cè)距并根據(jù)水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，以達(dá)到低功耗的目的；窨井液位高于警戒水位時(shí)，報(bào)警并加快采集頻率，從而實(shí)現(xiàn)全范圍、高精度的液位監(jiān)測(cè)。此外，裝置還通過(guò)三軸加速度傳感器獲取裝置姿態(tài)，利用氣體濃度采集模塊獲取窨井中可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)，使用NB模塊自帶的GNSS定位井蓋方位，并將窨井的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)NB模塊傳送至云平臺(tái)，在云平臺(tái)上更改采集頻率的指令，傳輸?shù)皆O(shè)備MCU處理。該裝置整體運(yùn)行功耗低、部署簡(jiǎn)單，若采用電池供電，可以三至五年[6]更換一次電池。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分由主控板和傳感器外設(shè)組成，系統(tǒng)硬件整體框圖如圖2所示。主控板采用STM32F103系列開(kāi)發(fā)板，其具有多種功能豐富的接口以及定時(shí)器，具備循環(huán)冗余檢驗(yàn)功能，支持輕量級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，擁有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性和應(yīng)用性。外設(shè)包括小角度超聲波測(cè)距傳感器、非接觸電容式液位傳感器、三軸加速度傳感器、氣體傳感器、NB-IoT模塊[7]等。

2.1 液位測(cè)量模塊

非接觸電容式液位傳感器通過(guò)感應(yīng)有水和無(wú)水狀態(tài)時(shí)的電容值差異來(lái)判斷傳感器檢測(cè)點(diǎn)處是否有水[8]。將傳感器安裝在井蓋的檢測(cè)點(diǎn)處，當(dāng)液體水位高于傳感器的檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)，設(shè)備在收到信號(hào)后，會(huì)立即啟動(dòng)響應(yīng)。非接觸式液位傳感器被觸發(fā)后，超聲波傳感器開(kāi)始采集小距離液位數(shù)據(jù)。HC-SR04超聲波傳感器對(duì)液位距離進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差小且測(cè)量距離長(zhǎng)。根據(jù)超聲波在空氣中的傳播時(shí)間和信號(hào)往返時(shí)間可以計(jì)算出水位和井蓋之間的距離，并將測(cè)量水位劃分預(yù)警等級(jí)。

2.2 姿態(tài)角傳感模塊

MPU6050用于安置在井蓋下測(cè)量井蓋的傾斜角度[9]，用于防止井蓋丟失或者傾斜造成道路安全問(wèn)題。MPU6050模塊采用I2C協(xié)議與STM32通信，將采集的數(shù)據(jù)輸入STM32中。該模塊用以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集工作，模塊支持X、Y、Z三軸加速度數(shù)據(jù)采集和三軸陀螺儀數(shù)據(jù)采集。

2.3 氣體傳感模塊

MQ-2傳感器適用于液化氣、丁烷、丙烷等氣體的探測(cè)，它利用氣敏材料與煙霧接觸時(shí)表面電導(dǎo)率的變化測(cè)量氣體濃度。煙霧濃度越大電阻越小，電導(dǎo)率越高，輸出的模擬信號(hào)越大[10]。

2.4 NB-IoT模塊

無(wú)線通信模塊選用移遠(yuǎn)BC-20模組，集NB-IoT通信與GNSS定位于一體，可以方便地連接OneNET云平臺(tái)創(chuàng)建云應(yīng)用，井蓋使用GNSS定位。模塊啟動(dòng)后通過(guò)AT指令打開(kāi)MQTT客戶(hù)端并連接云平臺(tái)。在線設(shè)備可以通過(guò)更新數(shù)據(jù)流的方式上傳井蓋數(shù)據(jù)[11]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況分為低功耗喚醒工作模式[6]和預(yù)警模式。

采用低功耗喚醒模式時(shí)，系統(tǒng)每3小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，若無(wú)響應(yīng)，則系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)同時(shí)采集傾斜角度、氣體濃度、地理位置信息并上傳采集數(shù)據(jù)至云平臺(tái)。該傳感器位于井蓋下方4 m處。

采用低頻預(yù)警模式時(shí)，若液位上升，且距井蓋位置不足4 m，即傳感器感應(yīng)到井水時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入黃色預(yù)警模式：系統(tǒng)每30分鐘采集一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，上傳采集數(shù)據(jù)并定位。

采用高頻預(yù)警模式時(shí)，若液位超過(guò)預(yù)警水位，即探測(cè)到水位距離小于2 m時(shí)進(jìn)入紅色預(yù)警模式：系統(tǒng)每10分鐘采集一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，上傳采集數(shù)據(jù)并定位。

可燃?xì)怏w濃度超過(guò)安全濃度，傾斜角度大于15°時(shí)，系統(tǒng)會(huì)告警顯示。

3.2 中斷程序設(shè)計(jì)

RTC鬧鐘中斷事件控制系統(tǒng)每5小時(shí)喚醒系統(tǒng)檢測(cè)一次窨井狀態(tài)，每次上報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)約為50 s。外部中斷事件由小程序端下發(fā)設(shè)置窨井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集頻率命令觸發(fā)。未觸發(fā)中斷查詢(xún)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。可以將傳感器數(shù)據(jù)采集程序分別寫(xiě)進(jìn)“RTC鬧鐘中斷”和“外部中斷”事件，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

3.3 小程序設(shè)計(jì)

微信小程序選用微信開(kāi)發(fā)者工具平臺(tái)，可以設(shè)計(jì)所需界面和控件。小程序MQTT客戶(hù)端登錄通過(guò)MQTT Over WebSocket的方式建立與阿里云的連接，需事先提供阿里云MQTT三元組信息，以便用戶(hù)登錄和Topic訂閱[12]。登錄后通過(guò)阿里云的云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的Topic轉(zhuǎn)發(fā)，小程序可獲取阿里云轉(zhuǎn)發(fā)的嵌入式設(shè)備端模型數(shù)據(jù)。小程序界面如圖3所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的低功耗窨井液位采集裝置。通過(guò)非接觸電容式液位傳感器和超聲波傳感器進(jìn)行水位測(cè)量，從而達(dá)到全范圍、高精度的液位監(jiān)測(cè)。采用低成本，低功耗，廣覆蓋的NB-IoT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將水位監(jiān)測(cè)值、井蓋傾斜程度、可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)端。根據(jù)采集的水位值動(dòng)態(tài)更改系統(tǒng)采集頻率，使系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足低功耗需求，減少電池能耗，延長(zhǎng)其工作年限。本裝置功耗低，成本低，數(shù)據(jù)安全性高，不僅降低了窨井管理所耗費(fèi)的人工成本，更減少了井蓋破損、丟失所造成的安全隱患。

注：本文通訊作者為許鵬。

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