基于NB-IoT和InSAR融合的城市地下空间双尺度智慧监测系统研究

2022-04-26赵巍平张晓彬

工业技术与职业教育 2022年2期

赵巍平，张晓彬，沈锋，温欣

（1.唐山工业职业技术学院，河北唐山 063299；2.河北铭嘉工程设计有限公司，河北唐山 063000）

近几十年来，我国经济进入快速发展阶段，不仅一线城市（北京、上海、广州等）的地下空间开发建设在迅猛发展，大部分二三线城市（西安、石家庄、唐山等）甚至县级城市的地下空间开发建设也进入快速发展阶段。城市地下空间可能发生的灾害主要包括火灾、水灾、空气污染、恐怖事件、战争、地基塌方以及地震等自然灾害和人为灾害，还包括因之引起的次生灾害。结合城市地下空间相对封闭等自身特点，其一旦发生灾害，对本地区造成的损失将无法比拟[1-2]。随着自然、社会条件的变化，灾害越来越多地以综合形式出现，一灾多果或多灾一果的现象日益增多。目前缺乏基于多灾种的智慧预警系统，因此针对于城市地下空间的多灾种智慧监测系统的研究已迫在眉睫[3-6]，本文通过将NBIoT和InSAR技术融合，来构建城市地下空间多灾种的双尺度智慧监测系统。

1 系统总体方案设计

本文设计的监测系统包括城市地下空间内部监测和城市地下空间地表沉降监测两部分融合的双尺度智慧监测。其中城市地下空间内部智慧监测系统由采用物联网“云-管-端”的一体化标准构架思路，实现从数据采集、传输、展示、分析、决策的全流程灾害预警方案需求，系统的总体架构如图1所示。城市地下空间地表沉降智慧监测系统利用合成孔径雷达干涉测量小基线集（SBAS-InSAR）技术结合Sentinel-1A雷达卫星数据对要监测区域进行大时空维度上的地表空间位置危险变化的精确探测，理论精度可达到毫米级。

图1 “云-管-端” 一体化标准构架

两种监测系统的数据采集、存储、处理和分析，真正实现城市地下空间在时间和空间上的双尺度智慧监测，为下一步城市地下空间多灾种综合评价模型研究提供科学、有效的数据支撑。

2 系统硬件设计及技术原理

2.1 城市地下空间内部智慧监测系统硬件设计

内部智慧监测系统的采集层是对城市地下空间内部的CO浓度、有害烟雾浓度、温湿度和液位进行实时监测，完成城市地下空间内部相关信息采集；通信层是采集层采集的数据通过NB-IoT模块上传到NB-IoT基站，再传至服务器；应用层是对采集到的数据进行存储和处理。

城市地下空间内部智慧监测系统的硬件设计在整个系统中至关重要，其设计优劣直接影响整个系统的准确性和高效性[7-10]。监测系统硬件主要由中国移动公司CM32M101A微控制器为主控制模块、N10SG系列 NB-IoT开发模块以及各类传感器。主控制模块和通讯模块的数据传输方式为USART串行通信方式。数据采集层由5V电源输出，经过LDO降压成3.3V为主控MCU芯片供电，也为WiFi通信模块、5G通信模块、GNSS定位模块、蜂鸣器报警模块、温湿度采集模块供电，同时5V为其他传感器供电：CO传感器、有害烟雾传感器、液位传感器，主控MCU通过串口与WiFi模块通信，通过I2C协议与温度传感器通信，使用GPIO控制蜂鸣器发声，使用ADC功能采集CO传感器、有害烟雾传感器、液位传感器的数据。

2.1.1 主控制模块

为了满足系统功能需求并方便数据传输，本系统选用中国移动公司CM32M101A微控制器作为本系统的主控制模块。CM32M101A的最高工作频率为64MHz，核心处理器采用的是ARM Cortex -M4F 32位的内核，程序存储容量为128Kb闪存和 24Kb×8的 RAM，具有 Canbus，I2C，7816，段氏频，SPI，UART，USB多种连接能力，该微控制器工作温度-40~105℃。

本系统以CM32M101A为主控制模块的城市地下空间内部智慧监测终端可实现数据采集和数据传输两项主要功能。

1）数据采集。当系统启动后，主程序将I2C，ADC，串口，IO等进行初始化，使用PA5、PA6、PB通道采集CO、有害烟雾、液位等传感器的ADC值，同时读取温湿度传感器值。温湿度传感器、CO传感器和有害烟雾传感器用来监测城市地下空间是否发生火灾；投入式液位传感器通过城市地下空间内的液位是否超标来监测是否发生水灾。

2）数据传输。CM32M101A主控制模块将各传感器采集的ADC值转换为电压值，通过电压值计算三个传感器对应的浓度和液位高度值，同时读取温湿度传感器值，通过WiFi发送到N10SG系列 NB-IoT开发模块，NB-IoT模块接收到主控制模块的指令后进行初始化配置，连接灾害检测路由器AP热点成功后，连接OneNET平台端服务，将CO浓度、有害烟雾浓度、温湿度和液位传到云端平台。

2.1.2 NB-IoT 通信模块

本系统采用最新一代5G蜂窝通信物联网技术NB-IoT，这是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术，使用是N10SG系列 NB-IoT开发模块，N10SG 是一款高性能、低功耗的 NB/GNSS无线通信模组，采用 LCC 封装，尺寸仅为18.0mm×16.0mm×2.4mm，满足《中国移动蜂窝物联网通用模组技术规范》。包括1个USIM、2个UART、1个 RESET、2个 SPI、2个 PWM、1个ADC、5个GPIO、2个天线和2个I2C。满足各种应用开发的需求，具有尺寸小、低功耗、卫星定位、超高灵敏度，封装设计兼容中移物联M5311系列模组，内嵌网络服务协议站等优势，因此NB-IoT通信模块选用N10SG，如图2所示。

图2 N10SG系列 NB-IoT开发模块

2.1.3 采集层传感器

系统的采集层传感器使用了CO、有毒气体、温湿度、液位等开发模块，实现对城市地下空间CO、有毒烟雾、温度、湿度、液位等信号采集。它们内置NB-IoT网络，功耗低、信号稳定、防水防尘的IP65外壳可保证传感器在恶劣的环境下长时间稳定运行。采集端开发板如图3所示。

图3 采集端开发板

2.2 SBAS- InSAR技术原理

Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar即小基线合成孔径雷达干涉测量技术是由D-InSAR技术优化后演化而来，有效的避免失相干、大气等干扰因素，采用相干系数法识别测量目标的高相干点，从而得到大范围的地表形变。下面简述SBAS- InSAR技术原理[11]：

在t0、t1…tN的同一地区获取N+1幅影像，根据干涉条件，得到M干涉对，需满足

假设ta、tb（ta＜tb）两个时刻获得的SAR图像干涉得到第i幅干涉图，干涉图中像元y处的相位表示为

式中，λ为雷达中心波长，d(tb，y)和d(ta，y)分别为相对于初始时刻t0的雷达视线向方向累计变形量，当t0时，d(t0，y)=0； (tb，y)和 (ta，y)分别为d(tb，y)和d(ta，y)引起的地形形变相位。

式中，A为M×N的系数矩阵，主影像对应的系数为+1，辅影像对应的系数为-1，其余系数为0；为某像元在对应时刻的相位向量；∆ 为按时间顺序排序后的某一幅影像对应相位。

在这个小基线子集中，若M＞N，此时A为N阶矩阵；若M=N，此时有固定解；若M＜N，此时解不唯一，根据最小二乘法可得解：

未解决无穷解的问题，采用奇异值分解法（SVD）求得差分干涉相位

式中，D为M×N的矩阵，v为对应的速度，C为M×1的系数矩阵，∆h为高程误差。

由于地形相位、大气相位和噪音相位与形变相位在空间域和时间域上的表现不同，通过采用适当的滤波方法就能求得非线性形变相位，进而确定时间序列对应的地表形变。

3 系统软件设计

城市地下空间智慧监测系统软件设计包括城市地下空间数据层软件设计、智慧监测系统软件设计、人机交互软件设计和SBAS- InSAR地面沉降。

3.1 数据层软件设计

城市地下空间数据层软件设计，默认使用WiFi通讯，也可扩展使用5G通讯。当系统启动后，主程序将I2C，ADC，串口，IO等进行初始化，使用PA5、PA6、PB通道采集CO、有害烟雾、液位等传感器的ADC值，将采集到的3个ADC值转换为电压值，通过电压值计算三个传感器对应的浓度和液位高度值，检查浓度值和液位高度是否超限，如超限蜂鸣器报警，同时读取温湿度传感器值，WiFi模块供电，进行WiFi初始化配置，连接灾害检测路由器AP热点，路由器连接成功后，连接OneNET平台端服务，将CO浓度、有限烟雾浓度、温湿度和液位传到云端平台，断开WiFi连接，WiFi断电，休眠5min，然后从第二步重新开始。