基于NB-IoT 的闽北高速公路高边坡智能监测系统设计

焦金涛，谭钧文，陈金水

（武夷学院物联网工程系，武夷山354300）

0 引言

智慧公路建设，国内各地公路局一项重要建设内容。到现在来说，伴随着国家交通事业的快速稳定的发展，国民经济水平的不断提高，高速公路已然成为人民出行中比较重要的交通设施之一。在闽北山区高速公路的建设中，因为其地形地貌的问题，形成了大量边坡。根据不同的分类方法，地址体的应力状态因为降雨或者施工等方面的影响发生改变，会引发大量的地质灾害。这些灾害突发性较强，分布范围广，对公路危害较大。为了保障公路的安全，防止当边坡发生滑坡、崩塌等病害时，造成路段严重拥堵和相关人员的伤亡以及财产损失，需要对高边坡进行安全监测。本项目主要实现传感器节点自动采集和存储数据，采用NBIoT 技术将数据传输至服务器，实现节点数据采集的广覆盖，从而提高高边坡安全监测水平，实现全天候、无人值守及自动监测。

1 总体设计

我们研究的这套系统的硬件端主要是通过各类传感器进行NB-IoT 通信[1]。NB-IoT 应用架构（Application Architecture）整体描述NB-IoT 应用开发所涉及的基本知识结构，主要体现开发过程所涉及的微控制器（MCU）、NB-IoT 通信、人机交互系统等层次。

从应用层面的技术开发角度来说，NB-IoT 应用架构（如图1）可以抽象为NB-IoT 终端（UE）、NB-IoT 信息邮局（MPO）、NB-IoT 人机交互系统（HCI）三个组成部分，这种抽象为开发NB-IoT 应用提供了理论基础。

图1 NB-IoT应用架构

我们从这三个层面去实现高边坡的智能监控（如图2），本套套件的数据采集节点采用NXP KL36 作为主控MCU，采集节点和MCU 联络使用NB-IoT 技术，通过将采集节点采集到的降雨量、土壤温湿度、土壤含水量、相对位移，和高边坡倾斜度等信息使用NB-IoT模块上传至服务器，数据上传的频率为1-2 小时1 次，节点软件使用C 语言开发，不加入实时操作系统以降低开发难度。同时因为采用了NB-IoT 技术将数据传输至服务器，我们可以基本实现节点数据采集的广覆盖。从而提高高速公路高边坡安全监测水平，实现全天候、无人值守及自动监测。

图2 系统框架图

2 系统硬件构成

因为闽北地区春冬季阴雨天较多，所以我们针对闽北地区的高速公路边坡进行多方面的分析。在降雨后高速路高边坡下方更可能生成地下水池，从而会造成边坡的沉降。本项目对一代成果进行分析，拟引入多孔碳管与液面传感器，对地下水位进行一定的分析。同时，针对边坡的网状结构，在网格交汇处进行受力数据采集，对边坡应力平衡进行数据采集。此外，使用激光测距，进行监测节点和边坡之间的距离测量，从而分析出是否会出现轻微滑坡现象，同时为了提早预防边坡变形造成的伤害，我们用拉线式传感器采集边坡移位数据，测斜仪采集边坡倾斜变化信息[2]。另外我们使用市面上面较常见的DHT11 传感器来采集温湿度的数据，雨量计采集降雨量的信息，同时使用485 总线型土壤湿度传感器采集土壤含水量（如图3）。

我们的采集节点使用NXP KL36 作为主控MCU,KL36 拥有较好的稳定性，适用于野外复杂多变的环境中。主控MCU 和各节点相互配合工作，将数据传输到服务器。同时，因为内部各节点大多使用的是NB-IoT通信技术，所以功耗低，工作时间长，可以长期布设在野外。

3 服务器的程序设计

云端服务器采用C#语言开发，同采集节点建立TCP 连接，完成数据的上行及命令的下发；服务器同App 及Web 客户端建立WebSocket 连接，允许服务器主动推送数据至客户端，及时显示预警提示信息。

图3 系统硬件构成

4 客户端程序设计

针对本次研究我们设计了多种形式的客户端模式，主要为手机App 及Web 网页[3]。手机App 开发使用的Android Studio 是基于IntelliJ IDEA 的谷歌开发Android 应用开发集成开发环境（IDE）。Web 开发使用的JavaScript 这种直译型脚本语言，和App 一样，都是从服务器上接收数据。具体显示的内容采用H5 技术开发。通过这种显示方式，可以使监测节点数据更友好，更方便呈现。

5 硬件系统和软件的通信

NB-IoT 的信息邮局可以从很多个角度去看待。

从物理角度，户外的铁塔与NB-IoT 基站路由器组成了NB-IoT 基站。铁塔是基站路由器的外部支撑机构，通过将NB-IoT 基站路由器高高地挂起，从而增强了NB-IoT 基站路由器的信号，进而提高了其无线覆盖范围。从应用开发用户编程角度来看，NB-IoT 基站路由器是个连接云服务器和个人用户使用端的中间过渡。

云服务器CS 的组成，可以使实体服务器，也可以是分散的云服务器。对于开发者来说，它就是具体信息侦听功能的固定IP 地址与端口。一般来说，使用云服务器，是需要通过给信息邮局MPO 运营商或第三方机构申请并交纳费用才可以使用的。

云服务器通过一个固定的IP 地址接收终端UE 向固定端口发送的数据，通过侦听程序负责接收这些数据，侦听程序主要负责监视UE 是否有发来数据，若有数据就把它收下来放入数据库，还要负责把人机交互系统HCI 要送给终端UE 的数据发送给终端。

云服务器具有固定的IP 地址和端口号，是侦听程序及数据库的物理支撑。在云服务器里面可以完成侦听程序及数据库的更新和运行，云服务器的访问需要用户名和密码。通过手机App 或者Web 网页在云服务器上读取需要的数据从而显示在个人设备上。如图4。

图4 设备布设实景

6 项目特色

本项目考虑到闽北春冬季阴雨天较多，夏秋季光照较强，同时边坡位置一般风力较大，所以我们设计采用太阳能为节点提供电源。针对春冬雨季缺少太阳的特点，我们给设备配备了蓄电池，将多余电力存储，保证节点的电力供应。针对雨季缺少太阳为了提高使用寿命，我们在设计节点程序过程中优化程序，通过程序控制使芯片在两次数据采集间隔期间休眠，减少电力消耗；并且在节点和传感器内设计开门狗定时器，防止程序跑飞。

7 结语

本文主要对闽北高速公路高边坡智能监测系统进行了设计，从系统硬件和后台软件两个方面进行了阐述[4]。通信系统基于NB-IoT 技术开发，将硬件及其软件两部分结合起来。硬件部分通过微控制器MCU 及其最小硬件系统连接雨量计、温湿度传感器、位移传感器及测斜仪等传感器实现环境及边坡信息检测，采集相关数据，并传输至服务器。软件部分包括通信软件，Web 网页和App 三个部分，通信软件在硬件节点和服务器之间建立TCP 连接，借由通信模组和NB-IoT 网络传输数据，并完成信息的云端智能高效存储，通过Web 网页可以接收数据并灵活展示数据。开发出的套件具有模块化集成，采集精度高，灵活性强，高性能等特点，具有较高的应用价值和很大的市场空间。