基于NB-IoT技术的智能井盖监测系统研究

任小强（中国移动通信通信集团甘肃有限公司兰州分公司，甘肃兰州730000）

0 引言

随着城市化进程的加快，市政公用设施建设发展迅速。电力、通信等部门大都有自己部门管理的井盖［1-2］，由于城区面积扩大，井盖分布范围广、数量大，导致监管难度大，盗窃井盖的犯罪行为越来越猖獗。据统计，一般城市的井盖年被盗数量占总数量的1%左右，市政管理较好的城市也在0.5%左右。也就是说，一个中型城市一年井盖被盗的数量平均在2 000～5 000个左右。这些井盖的盗损现象，影响了设施功能的正常发挥，并造成巨大的经济损失和社会安全问题。目前大量井盖缺乏有效的实时监控手段，人工巡查成本高、效率低，NB-IoT是一种低功耗、大连接、广覆盖和低成本的物联网技术［3-4］，利用NB-IoT建立一个物联网监控平台，当井盖被搬动、发生破损、丢失时，传感器检测到角度的变化并上报告警到平台及APP端供维护人员，并提供导航功能供维护人员及时处理［5］。

1 NB-IoT技术简介

物联网是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，通过信息传感器，按照事先约定的协议将万物连接起来，实现定位、跟踪、识别和监控等功能。基于蜂窝的NB-IoT只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，大大降低了部署成本。NB-IoT基本特点如下。

a）广覆盖。NB-IoT基于运营商的蜂窝网络，在同样频段下，NB-IoT比现有GSM网络有20 dB的增益，覆盖面积扩大10倍，期望能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。

b）大连接。在物联网应用中，直接利用现有的蜂窝网络容易造成网络负荷过高，NB-IoT在现有的蜂窝网络上进行优化，使200 kHz的频率可以提供10万个连接，具有海量设备连接能力。

c）低功耗。NB-IoT引入了eDRX省电技术和PSM省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间，借助这2种技术，在典型应用场景下，使用AA电池（5号电池）便可以工作10年，无需充电。

d）低成本。企业预期的单个接连模块不超过5美元，芯片价格为1～2美元，随着网络部署成本的降低，每个模组的批量成本价格预计可以降到2美元左右，为海量终端设备接入提供了可能。

2 NB-IoT网络架构

一个典型的NB-IoT网络架构如图1所示，它由通信终端、NB-IoT基站、NB-IoT核心网和业务监控平台组成。

图1 NB-IoT网络架构

a）NB-IoT终端：通信终端的主要部件是模组，具备完整独立的扫描功能，可以嵌入到手机、电脑、打印机、流水线等各行各业的设备中，目前华为、中兴和高通等芯片厂家已经生产了商业化、低成本、通用性能好的模组，该模组通过空口连接到基站eNodeB。

b）NB-IoT基站：NB-IoT基站是网络中组成蜂窝小区的基本单元，主要承担空口接入处理、小区管理等相关功能，并通过S1接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。NB-IoT可以独立组网，也可以通过升级改造现有的移动蜂窝网络达到支持NB-IoT的目的，以中国移动为例，900 MHz里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接同时部署LTE和NB-IoT。

c）NB-IoT核心网：NB-IoT核心网与现有的EPC核心网不同，简化了网络架构，使其更好地支持低速率、大连接、广覆盖的通信业务，主要承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。

d）NB-IoT平台：业务平台对通信终端采集到的数据做综合处理，包括设备故障告警、数据可视化、大数据以及趋势分析等，它的主要功能是汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发至相应的业务应用器进行处理。

e）应用服务器：IoT数据的最终汇聚点，采用双机热备份，为了支持海量设备接入而不影响性能，安装工业实时数据库OpenPlant［7］。该平台基于B/S架构设计，用户通过浏览器访问平台门户，实现对现有设备的远程监控、远程运维、远程服务，实现门户展示和告警管理。

3 业务测试及分析

智能井盖系统的业务主要从覆盖、时延、功耗和穿损等4个方面展开，总体测试结果表明，在电平大于-105 dBm时，业务平均时延为45 s，业务成功率为100%，可开关井盖6 859次。

a）覆盖测试：基于角度传感器的智慧井盖由外壳、传感器、模组、芯片4部分组成，测试发现正常网络业务测试应满足RSRP＞-105 dBm和SINR＞6 dB。当网络的RSRP＜-105 dBm，井盖终端无法注册到网络上，由于楼宇阻挡、信号衰减、模组制造工艺等因素，多数区域信号电平并不满足此条件，因此井盖监测系统的各种影响因素需要进一步改进。此外为了实现井盖的更好管理和监测，需要研制复合式传感器井盖系统，考虑到不同应用场景的需求，需增加不同功能传感器，如表1所示。

b）时延测试：从触发业务到收到告警，时延最小值为34 s左右，平均时延为45 s左右。在极好点偶尔会出现时延过大的问题，影响时延的主要因素有终端、NB网络、公网、服务器，整个系统的时延如图2所示。

由图2可以看出，整个系统的时延主要由t1、t2、t3、t4、t5和t6等6部分组成［6］，其中t5为IoT平台和业务平台时延，t6为业务平台与APP之间的时延，t5和t6时延与软件性能有关，可忽略。应用终端和NB-IoT网络时延决定了整个井盖系统的总时延，如何降低应用终端时延是降低总时延的重要途径之一。

表1 井盖系统传感器种类

图2 系统时延影响因素

c）功耗测试：不考虑待机时电池电量的消耗，每个终端支持的业务告警次数为：4 760 mAh/（50 mA×（50/（60×60）））mAh=6 859次，井盖智能终端极好点平均电流为43.053 mA，差点平均电流为48.13 mA，随着信号强度逐渐变弱，耗电量也随之上升，不同信号强度下耗电量如表2所示。为保证使用寿命，本次使用了业界最大的20 000 mAh的电池，按照现在牺牲休眠机制的做法可以使用4年左右。

表2 耗电量与信号强度的关系

d）穿损测试：从测试数据看，复合型井盖信号衰减最大且越厚越明显，较厚的水泥井盖信号衰减与球磨铸铁相当。针对不同材质的井盖，智能井盖终端在井上、井下信号接收强度差（即穿透损耗）为6～10 dB，具体测试如表3所示。

表3 不同材质的井盖穿透损耗

4 结论

综上所述，在物联网技术快速发展的今天，将NBIoT技术引入智慧城市管理领域中，构建一个物联网监控平台，实现对城市设施（井盖、路灯杆、空气质量、温度等）的实时状态监控，降低企业运维成本，提高企业运维效率，促进了运维的标准化和规范化，是实现智慧城市的必要条件之一。在实际应用中，对政府监管部门的监测治理工作提供了帮助。