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基于NB-IoT技术的智能井盖终端解决方案

2019-01-10谢兰青尹清松

智能物联技术 2018年3期
关键词:待机井盖终端

谢兰青,尹清松

(中电海康集团研究院,浙江 杭州 311121)

0 引言

随着城市化进程的进一步加快,市政公用设施建设迅速发展。市政、电力、通信等部门有大量市政设备、资产需要管理,井盖是其中不可忽视的一项。大量的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:损坏、偷盗井盖等违法行为时有发生。丢失、损坏、被盗的井盖常因无法及时获知而得不到及时修复,这样不仅影响了井下相关设备的正常工作,造成直接或间接经济损失,还会对井盖所在位置附近人民群众通行安全造成巨大隐患。

目前市场上已经有一些智能井盖传感器模块,也有一些厂商已经跟井盖厂商合作做系统集成。但现有方案[1][2]大都基于ZigBee、LoRa或传统2G、3G、4G蜂窝网。前两者需要通过自建基站或网关的方式将传感器接入到互联网中,部署相对复杂。而传统蜂窝网络传输又面临不适合低功耗场景的问题。

无线通信技术中,NB-IoT作为新秀,凭借诸多优点引起各方高度关注:国内三大运营商大力推进NB-IoT基站建设,终端厂商也相继推出NB-IoT模组[3][4]。 NB-IoT具备4大特点[5-8]:

(1)广覆盖。尤其强化了对室内环境的覆盖。在同样频段下,NB-IoT相较于传统蜂窝网络增益20dB,区域覆盖能力提升了100倍。而且由于NBIoT基于蜂窝网络技术使用运营商基站通信,无需使用者自行部署网络。

(2)海量连接。一个扇区可以支持10万个连接。

(3)低功耗。NB-IoT终端模块使用电池的待机时间可以做到长达10年。

(4)低成本。模块生产企业的单个模块成本预计不超过5美元。

本文设计一种使用NB-IoT技术的井盖智能监测终端,终端固定安装在井盖下方,监测井盖状态,并且支持主动报警功能。终端与云平台组合建立井盖实时监测管理系统,可以帮助市政管理部门高效地监测辖区内井盖的状况,在井盖出现问题的第一时间进行维修,最大限度避免发生意外事故,减少损失。另外,配合APP管理,使日常维护更为简便高效。

1 方案设计

1.1 系统概述

系统分为3个主要的组成部分:

(1)井盖监测终端:该终端安装在井盖下方,作用是收集井盖数据后通过NB-IoT网络传输到服务器;

(2)服务端软件:承担接收处理数据的任务,同时提供其他的平台服务,如B/S架构的浏览器平台访问方式;

图1 井盖智能监测系统整体部署架构

图2 终端模块硬件组成框图

(3)手机APP:结合GIS地图为井盖维护人员提供界面友好、方便、高效的维护指引。

井盖智能监测系统的整体部署架构如图1所示。

1.2 硬件架构

该终端设计方案的硬件部分仅井盖传感模块单板,主要由MCU、加速度传感器、NB-IoT模组构成。硬件选型的原则为低功耗、低成本。如图2所示为终端模块硬件组成框图。

1.3 软件设计

图3 智能终端软件模块组成

本应用的软件架构和主要模块如图3所示。软件设计中详细模块功能如表1所示。

1.4 容错设计

考虑到模块运输和安装环境的不确定性较大,如模块安装前车辆运输颠簸、井座(路面)本身倾斜以及人为检修等因素都会引起井盖报警误触发,且井下环境较为恶劣,模块需要做防水处理,不利于调试,因此设计时需要考虑容错。

采用的容错设计是井盖模块上板载一个干簧管,充当磁性开关使用,通过安装时再用强力磁铁激活的方式,可以解决安装之前运输颠簸误报问题。同时,选择的MCU自带蓝牙功能,可以实现单个模块与手机APP互联,解决了人为检修布防解防、路面倾斜校准等问题。

表1 终端软件各个模块组成及功能

2 方案实际测试

2.1 测试方法

为了验证终端是否达到设计要求,在不同的环境条件下,对终端模块进行功能性测试。重点测试模块的信号质量和待机时长,以了解相对于传统通信方式的优势。测试时,对终端模块进行防水密封,并用胶粘固定井盖底面;测试使用的井盖为道路用水泥制和金属制两种圆井盖。测试方法如下:在测试场地安装好设备模块;开启模块,连接蓝牙,配置后开始工作;进行状态同步时,模块自行查询NBIoT模组信号质量,并发送至云平台服务器;为了提高测量待机功耗的效果,修改提升状态同步(发送心跳包)频率为半小时一次;再开启服务器程序,解析接收的数据。测试场景及目的如下:

场景1:道路上水泥制圆井盖上方;测试信号质量;

场景2:道路上水泥制圆井盖下方;测试信号质量、井盖移动监测和待机时长;

场景3:道路上金属制圆井盖上方;测试信号质量;

场景4:道路上金属制圆井盖下方;测试信号质量、井盖移动监测和待机时长;

场景5:高楼建筑室内办公桌;测试信号质量。

2.2 测试结果分析

如表2所示,为各个场景下的测试结果,综合分析,可以得出以下结果:

(1)信号强度:井盖上方>水泥制井盖下方>金属制井盖下方>高楼建筑室内。

(2)待机功耗:设计要求希望满足每天传送一次心跳包可使用3年以上。在实验中,设定每隔30分钟RTC唤醒发送数据包,一天发送48次。在此情况下,仍然能够达到30天以上待机,传送次数理论上满足设计需求。

(3)移动监测:倾角计算较为准确,符合使用要求。

表2 不同测试场景结果对比

由表2可知,对常见的金属井盖而言,由于金属屏蔽原因井下信号比较差。信号差不仅影响连通率和传输时间,对耗电也有非常大的影响。依据NB-IoT技术手册,结合示波器测量,计算出在信号好与差两种状况下,状态同步时能耗的差别。由表3可见,能耗差别非常悬殊,对电池使用时间造成了巨大的影响。虽然可满足设计要求的3年使用时间,但与NB-IoT宣称电池使用10年相比有较大差距,当然主要原因在于井下特殊的信号环境。

表3 NB-IoT日待机能耗预估

3 结语

本文提出了一种基于NB-IoT的井盖智能监测终端方案,并详细描述了终端软硬件架构和实现方法。通过测试分析,该方案设计在样机实际测试中,其表现(包含连通性、耗电量、监测灵敏度)可以基本满足设计需求。该终端可以实时、有效、快速地把井盖状态信息反馈给上层云平台,能够提高市政工作的维护效率,降低成本,有助于提升城市安全管理水平。在解决现实问题的同时,验证了NB-IoT技术在物联网终端应用中的实用性。笔者认为,NB-IoT技术可以最大限度地解决组网难度与功耗相矛盾的难题。

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