基于NB-IoT技术的智能井盖终端解决方案

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。