地质灾害监测NB-IoT数据传输系统研制

2019-11-15王洪辉卓天祥魏超宇邹定康钟盼

中国测试 2019年5期

王洪辉卓天祥魏超宇邹定康钟盼

摘要：为解决传统地质灾害监测采用2G/3G/4G及其他无线技术存在的耗电大、费用高、网络盲区等问题，该文设计基于NB-IoT的地质灾害监测数据传输系统架构。通过STM32单片机采集位移传感器、雨量计等传感数据，基于中国电信物联网平台，将地质灾害数据以规定的格式通过BC95通信模块上传至Java Web平台，实现监测数据的远程传输。系统在四川省绵阳市某泥石流监测预警站进行测试。结果表明：预警站虽处西南山区，但NB网络覆盖良好，设计的NB-IoT数据传输系统数据传输稳定、功耗低（电压5V，持续数传电流146.36mA，省电模式电流5μA）、成本低（单点年费20元），为地质灾害監测远程数据传输提供新的解决方案，也可拓展NB-IoT的应用领域。

关键词：NB-IoT;低功耗;地质灾害监测;BC95模块

中图分类号：TN929.5;TH764 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）05-0121-07

收稿日期：2018-10-24;收到修改稿日期：2018-11-16

基金项目：国家自然科学基金（41704130）;四川省重点研发计划项目（2018SZ0347）;四川省大学生创新创业训练计划项目（201710616149）

作者简介：王洪辉（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，硕士生导师，博士，主要从事地质灾害监测预警与信息技术研究。

0 引言

近年来，我国西南地区地质灾害频发，其中突发性的崩塌、滑坡、泥石流因发生时间短、隐蔽性强，造成了重大人员伤亡和经济损失[7]。随着无线通信技术的发展，低成本、低功耗、高速率、多数据方式的无线传输手段，逐渐在工业应用并取得成效。采用无线通信技术进行地质环境监测，其数据采集参数更全面、响应速度快、可靠性更高，节约人力物力，有利于对地质灾害进行有效预警和防治[2-3]。

地质灾害监测设备安装于野外现场，气象条件和地理环境相对恶劣，如供电不足、通信不畅，对无线数据传输系统都是极大考验。传统监测系统采用2G/3G/4G传输居多[4]，也有采用北斗短报文传输的案例[5-6]，总体来看，上述传输方式资费较高、耗电大（如GSM模块网络注册电流高达2A）。

根据华为公司估计，以环境监测、远程抄表、智能停车等应用为代表的长距离、低速率、低功耗场景为物联网的主要应用场景，将占到物联网总连接数的60%。窄带物联网（narrow band-Internet of things，NB-IoT）属于低功耗广域物联网技术，具有广覆盖、低功耗、支持海量连接的特点，是适用于上述场景的主流技术之一[7]。

为了适应大量的低功耗应用场景，NB-IoT提供了3种工作模式，如表1所示。对于地质灾害监测，可使用PSM省电模式，极大降低系统功耗。

我国已出台多项政策支持NB-IoT的发展，在智慧照明、智慧水务、智慧停车等下游细分应用市场落地[8-12]，但整体而言NB-IoT商业模式尚未成熟[13]。目前还未见NB-IoT与地质灾害交叉应用的研究成果报道。因此，本文通过系统设计和应用测试，探究NB-IoT在地质灾害监测预警领域的适应性和可行性，为我国地质灾害防灾减灾提供一种新的解决方案，促进学科交叉研究落实到实际应用场景。

1 系统总体设计

针对地质灾害监测的特点，设计了一种基于NB-IoT的监测数据传输系统，如图1所示，包括传感器信息采集、主控板、通信单元、供电4部分。

1.1 信息采集

通过传感器将地质环境变化的信息转换成电信号，经信号调理电路传入单片机中，实现地质灾害前兆信息的采集。本系统采用了地表位移和降雨量两个参数进行测试，其器件选型如表2^[14]所示。

1.2 主控板

主控板用于采集传感器数据，也用于与通信单元的数据传输。本系统采用资源相对丰富、处理性能也相对较强的STM32单片机（STM32F103）。考虑到野外设备检修需要，主控板设计了一个LCD显示屏（HB12864），通过DART与单片机（串口1）通信，实现位移、雨量等信息的实时显示。在正常使用时，可去掉显示屏以降低系统功耗，在检修时使用显示屏用于快速排查故障。

1.3 通信单元

NB-IoT模块采用了上海移远公司的BC95模组，通过UART与主控板单片机（串口2）进行指令和数据交互。主控板根据用户控制策略，将采集的地质灾害监测数据发送至预警平台服务器，其通信链路如图2所示。

以选择中国电信运营商为例，NB-IoT通信模块想要完成数据的上传必须经过中国电信物联网平台，经过中转后再由电信平台的订阅服务发送到指定的Java Web监测平台。

2 硬件设计

2.1 处理器模块

本文采用意法半导体公司推出的STM32F103系列微处理器作为地质灾害监测系统的主控制器，该处理器是一款32位的ARM-M体系结构的高性能处理器，最大支持1024KB的闪存和%KB静态存储内存，使用8MHz晶振，经过芯片内部9倍频后最高运算频率可达72MHz，具有16-1024KB的存储空间支持实现多方面的应用需要[15]。

具备3路SPI接口、2路IIC接口、3路USART和2路UART接口等通信接口，丰富的片内资源充分满足了本设计的需要，实物如图3所示。

2.2 电源模块

在野外地质灾害监测中，每一个独立系统和模块都需要供电，若仅使用普通电池无法满足系统的长时间运行，本系统采用锂聚合物电池与太阳能电池板混合供电，各模块需要提供不同种类的电源进行供电，如表3所示。

2.3 NB-IoT通信模块

本系统采用的BC95-B5是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模组，工作于850MHz，支持中国电信NB卡接入。由其构成的通信单元主要包括电源、天线、SIM卡座、单片机通信接口，其电路原理图如图4所示，实物如图5所示。

3 单片机控制程序设计

3.1 程序模块划分

系统单片机控制程序可分为数据采集模块程序、传输模块程序、人机接口程序（见图6）。考虑到数据采集、人机接口程序在已发表的文献中介绍很多，本文着重对NB-IoT的传输控制程序进行阐述。

3.2 NB-IoT传输控制程序设计

3.2.1 CoAP协议

NB-IoT作为物联网和M2M的应用通信模块，属于有限计算能力和少量内存空间的资源受限型设备，使用带有重传事务处理机制的约束应用协议（constrained application protocol，CoAP），能使NB-IoT设备得到可靠的传输保障。CoAP协议是一种面向网络的协议，使用了和超文本传输协议相似的特性，其核心内容包括可扩展的头选项、资源抽象、REST式交互等。想要像超文本传输协议对资源进行GET、PUT、POST和DELETE等操作，只需让应用程序通过URl标识来获取服务器上的资源即可。

图7所示为CoAP协议栈。第一层为请求邝向应层（request/response layer）用于传输操作命令的请求和响应数据;第二层为事务层（transaction layer），该层可以用于实现各个节点间的信息传输互换，同时还可以提供信息交互时堵塞控制和组播等功能。CoAP的双层处理方式，让CoAP协议尽管没有采用3次握手的TCP1办议，也可以支持可靠的传输机制[16]。

3.2.2 中国电信物联网平台配置

中国电信物联网平台是中国电信针对物联网建立的一个服务平台，用户可通过电信物联网NB卡将数据信息通过NB-IoT设备上传至该平台。平台可以完成多个NB-IoT终端的综合管理，同时向第三方应用平台开放接口，让平台数据可转发至开发者自己的Web服务器，以构建行业物联网业务。中国电信物联网平台使用时，需要对平台进行配置，包括数据应用添加、profile开发、编解码插件的开发等，读者可参阅相关技术手册。

3.2.3 终端设备注网

终端设备注册网络需要经过14步，如图8所示。

3.2.4 数据发送

为了便于平台对不同设备（NB、4G或其他）的识别，需要定义统一的数据格式，如图9所示。

该格式由78位字符串组成，第19位到第26位表示设备号，第36位到第41位表示传感器类型（rain降雨、dist位移、angl角度），第55位到第59位表示传感器的数据（单位分别为mm、mm、（°）），第7s位到7s位表示接收间隔时间（单位为mm）。

在上述数据格式下，数据发送需经过9步，如图10所示。

对于NB-IoT设备，采用的是CoAP协议，只能将16进制的码流传输到CDP服务器上，所以必须将字符串格式变为ASCII码（图10中Step9所示），发送到中国电信物联网平台上，再由电信平台将数据转发至开发者的Web服务器。

4 系统测试

4.1 测试原型机

本系统设计的原型机（编号CUT-X-NB-O1）内置STM32单片机、NB-IoT通信单元（中国电信NB物联网卡年费20元）、4G通信单元（本次测试不用）、传感器接口、电源及人机接口（如图11所示）。

4.2 测试数据

4.2.1 设备现场安装

在四川省绵阳市某泥石流监测预警站对CUT-X-NB-01设备进行了测试。选取了6个监测点位（见图12），其NB通信信号强度如表4所示，信号质量较好（D点稍微弱一点）。

4.2.2 平台数据展示

用户可登录中国电信物联网平台（或自有平台），查看已接入平台的设备监测数据（见图13）。测试显示2018年5月17日10：24：09位移数据为104.2mm，10：44：50位移数据为125.8mm，依次缓慢增加，10：47：57时刻位移数据为144.7mm，表明监测数据可以顺利进入物联网平台。

4.2.3 系统功耗测试

为了评估系统在数据发送时的功耗，在室内用测试仪器（优利德台式万用表UT804）进行了测试（系统处于连续发送数据状态）。结果为：系统外接5V电源供电，NB在连续数据发送时的电流为146.36mA（见图14）。

5 结束语

本文设计了一种基于NB-IoT的地质灾害监测数据传输系统，采用国产BC95物聯网模组，通过接人中国电信物联网平台服务，实现了地质灾害监测信息的低成本、低功耗、远程传输。经过在四川省某泥石流监测现场进行应用测试，表明所设计的系统能够稳定传输监测数据，为我国地质灾害监测预警提供了一种新的数据传输方案，也拓宽了NB-IOT的应用领域。

需要指出的是，经过数十年广大科技工作者和工程技术人员的努力，我国地质灾害监测预警的能力得到了很大的提升，灾害预警效果也愈发明显。但是，近年发生的几起重大地质灾害事件（如2017新磨村滑坡[17]、2018金沙江白格滑坡—堰塞湖）显现出我国地质灾害监测预警工作仍需加强，特别是开展交叉学科研究，将最新计算机技术、物联网技术、通信技术等与工程地质、岩土工程学科相结合，定能催生出一批新型、实用的地质灾害监测预警新技术。

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