基于NB-IoT技术的新型电力井盖监测报警系统

喻旻

（国网江西省电力有限公司鹰潭供电分公司，江西 鹰潭 335000）

0 引言

在城市建设发展过程中，基础设施建设得到了持续发展，现阶段，我国市政公共基础设施多数以地下工程为主，其中包括：给排水、燃气、热力、电力和通信等市政设施的井盖，井盖数量呈现逐步增加态势。随着电力隧道的增多，井盖管理工作也不断加剧，由于管理不善造成群众受伤、车辆受损的事件频发，严重影响了人们的日常生活，造成不良的社会影响，因此，对井盖的巡检工作就成为市政工作者关注的焦点问题。传统的人工巡检不仅工作量大，效率低，无法及时获取电力井盖的状态信息，而且容易引发各种安全隐患，在互联网时代，以无线通信技术、物联网技术为主导的智慧城市已经成为主流，集数字化、互联网、现代化科学技术为一体的数字化监控管理系统，为市政服务提供了更多的便利。因此，本文基于NB-IoT技术设计一种新型电力井盖监测报警系统，通过智能化控制、数据监测、主动警告等功能，为智慧城市的建设提供技术支持。

1 NB-IoT技术及特征评价

NB-IoT技术是基于蜂窝网络的窄带物联网，目前，物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术；另一类是 LPWAN（low-powerWide-AreaNetwork，低功耗广域网），即广域网通信技术[1-2]。而NB-IoT技术就是广域通信中的一种，NB-IoT使用License授权频段，可采取独立部署、保护带部署和带内部署三种部署方式（如图1所示），与现有网络共存，实现低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，NB-IoT技术旨在实现广泛的新型物联网的设备和服务，显著改善用户设备的功耗，具有系统容量大、覆盖面广、成本低、功耗小等特点。

图1 NB-IoT技术部署图Fig. 1 NB-IoT technology deployment diagram

1.1 终端简化

NB-IoT技术为了降低系统研发的成本和复杂程度，其自身具有一系列终端简化方案，包括简化协议栈、简化基带处理复杂度，相对于普通LTE，基带复杂度降低10%，射频降低约65%。

1.2 PSM节电模式

NB-IoT技术具有（Power Saving Mode，PSM）节电模式，在此模式下，终端可以长时间保持休眠状态以达到省电的目的，按照周期性TAU为10分钟计算，设备每周上传一次数据，两节五号电池可以使用6-8年。

1.3 设计成本低

NB-IoT技术相比于其他的无线通信技术具有更低的损耗，因此，对芯片的需求也相对较低，较小的体积、更低的缓存以及较低的RF设计，在低成本设计下，NB-IoT技术仍然具有全球授权的频段，确保信息传输的稳定可靠，这些都决定了NB-IoT芯片的成本将具有非常明显的竞争优势。

1.4 应用范围广

NB-IoT技术可以满足低功耗、深覆盖、大容量、超长待机等要求的低速率业务，适合静态化、对时延敏感低、非连续移动、实时传输数据的场景。在智慧城市中的应用非常广泛，包括远程抄表技术、智能井盖监测、地下车库管理系统、智能停车、智能路灯、智能物流、市政管理等。

2 电力井盖监测报警系统设计

基于NB-IoT技术的新型电力井盖监测报警系统，实现了对城市电力井的集中监控和管理，主站完成远程主控命令的下达，同时与其他电力井监控设施、资源管理中心组成管理层，实现城市电力井的资源共享，很好地满足了智慧城市发展的需要[3]。此外，该系统具有良好的人机交互界面，通过数字化的实时监控平台，确保用户直观、方便的观察电力井盖的实时状态，极大地降低了人工巡检的工作强度，下文对电力井盖监测报警系统的架构及软件设计进行阐述：

2.1 系统架构组成

该系统硬件结构主要由NB-IoT模块、CPU、三轴加速度传感器、倾斜角开关、电源控制芯片以及电池组组成（如图2所示）。监测中心主要是电力井监测系统软件，服务器硬件设备，双核CPU、4G内存、500G硬盘、2M宽带、操作系统Windows SERVER 2010及以上，数据库软件SQL SEVER 2010。在各个监测点部署NB-IoT监控DTU，该模块支持NB-IoT通信标准，使用AT命令控制，防护等级IP68，具有防撬、防水、防腐蚀、防泥沙、绝缘等功能，通过电池供电，安装和维护简单。管网检测装置主要负责对电力井盖堵塞现象、井盖状态，井盖丢失、移位等异常发生时立即报警、及时提供管网运行预警信息，为应急防汛工作提供决策依据、为评估低洼、易涝区域的排水能力提供分析数据、追溯管网运行历史状况，辅助进行事故分析，一旦井盖被破坏或者遗失，系统会监测到位置信息并发出警报，现场管理人员则会立刻采取行动，避免造成更严重的影响[4]。

图2 电力井盖监测报警系统架构图Fig. 2 Power well cover monitoring alarm system architecture diagram

2.2 系统业务流程设计

基于NB-IoT技术的新型电力井盖监测报警系统，采用前台/后台终端软件，每个任务按照相应的程序进行，具体流程如图3所示。

该系统可以完成远程控制电力井盖状态，现场经指令密码授权后自动开、闭井盖锁具，系统兼容市电（交流220V）和电蓄电池两种供电模式可选。基于NB-IoT技术的新型电力井盖监测报警系统，给井盖配装基于轨迹分析和倾角检测的井盖监控器，可以实时监控井盖的运动状态，由于大多数井盖安装的路面都具有一定程度的倾斜，当路面倾斜角度接近倾斜角开关时，即便是很小的抖动都会引发系统产生误报，因此，需要通过容错设计，有效地解决外部环境的不确定性给系统造成的误判，当井盖发生翻转或者是移动后会第一时间启动报警通知监控中心[5-6]。基于NB-IoT技术的新型电力井盖监测报警系统的主要功能包括井盖位置地图管理、井盖资产管理、井盖告警实时监控、井盖故障派单处理，井盖巡检记录等。管理机构可通过云端服务器和APP了解信息和制订管理策略，组织和安排人力、进行施工登记、区域管理等。

图3 井盖监测报警系统软件业务流程Fig. 3 Software business process of well cover monitoring and alarm system

2.3 软件功能设计

基于NB-IoT技术的新型电力井盖监测报警系统，具有远程控制自动开闭井盖锁具、现场经指令密码授权后自动开闭井盖锁具、停电等紧急状态下使用专用工具井盖内部/外部手动开闭井盖锁具以及监控后台，通过电子地图展示井盖所处位置、状态、报警信息（片区责任人员会同时收到报警信息）等功能。现场监控人员可及时指派维护人员现场处理并快速解决安全隐患。新型电力井盖监测报警系统具有强度高、耐腐蚀、易于安装、方便检修等特点，能够在各种环境下使用；此外，该套系统设计遵循超低功耗原则，采用NB-IoT通讯模块，电池供电方式下能够可靠工作，监测终端的处理器闲时将处于休眠状态，以6h为一周期进行自动唤醒，以达到省电的目的。该系统还具有C/S客户端和手机端APP两种控制模式，实现操作人性化，降低成本。工作人员可实时获取井盖状态和异常预警信息，根据风险预警提示信息和地理定位，及时进行排查处理[7]。

3 电力井盖检测报警系统的应用效益

基于NB-IoT技术的新型电力井盖监测报警系统结构简单、便于安装，而且可以根据井盖规格进行定制，设备能耗低，正常工作情况下的定时向后台发送状态信息、不更换电池的情况下，可以发送3000余次，普通锂电池待机工作时间6-8年。随着无线通讯技术的发展，智慧城市发展的脚步也会进一步加快，利用现代化技术的智能化井盖管理模式，具有非常广阔的应用空间。基于NB-IoT技术的新型电力井盖监测报警系统后期的维护可节省大量人力、物力，井盖也更加安全，有力的保障了井下财产安全。先进的轨迹分析算法保证了井盖状态的准确判断，大型车辆碾压致井盖震动时不会误发报警，可以有效降低系统误报率。由于新型电力井盖监测报警系统支持蓝牙通讯技术，可以通过可移动终端设备进行设防解防和参数配置，该系统独有的井下溢水报警功能，能实时监控井下水位信息。系统具有丰富的数据接口，可实现向上、向下兼容，便于国家电网井盖监控平台或数字城管平台接入，支持NB-IoT低功耗广域网部署。系统外观采用密封设计，具有耐腐蚀、耐磨，耐压、抗震，防水等特点，可在工作环境温度-20℃-60℃下正常工作，具有良好的适用范围，硬件设备寿命和稳定性得到保障，减少设备更换和维修周期，显著提高电力企业管理的经济效益[8]。

4 结论

综上所述，随着城市化进程的进一步加快，市政公用设施建设发展迅速。市政、电力、通信等部门有大量市政设备、资产需要管理。其中井盖成为了不可忽视的一项。大量电力井盖由于缺乏有效的实时监控管理手段，给不法分子提供了可乘之机，移动、偷盗井盖等违法行为时有发生，同时，破损、损坏、丢失的井盖也因无法及时获知，而得不到及时修复，这样不仅影响电能的正常输送，造成巨大的直接或间接经济损失，而且丢失井盖的井口也会对道路上的车辆、行人造成极大的危害，对社会安定、安全造成了极大负面影响。为了加强城市道路上各类井盖的维护管理工作，在智慧城市发展中，突破传统思维的束缚，借助物联网和自动化技术，实现对城市基础设施的实时监控和管理[9]。因此，本文研究的新型电力井盖监测报警系统，就是利用NB-IoT物联网技术，对井盖实施有效管理，通过电力井盖监测报警系统全面掌握城市电力井盖的实时状况，有效识别井盖异常或者缺失现象，以快速做出应急响应，保障广大人民群众出行安全。