基于NB-IoT的智能井盖监测系统设计*

张 帆，郑雪莹，张赫庭，熊宪波，杨 花，刘 燕，陈兴文

(大连民族大学信息与通信工程学院,辽宁 大连116600)

随着城市功能的日益完善和现代化程度的不断提升，市政、电力、电信、排水等各种公共基础设施和官网的集中化和地下化的发展已经势不可挡，井盖及井下设施的安全运维已经成为城市安全的重大隐患。随着5G通信技术以及物联网技术的发展，NB-IoT(窄带物联网)技术由于具有低功耗、大面积覆盖、强链接通信的特点，以及能与大数据等新型技术有机融合，已经在生产生活中广泛推广和使用。本文结合NB-IoT技术设计了一款智能井盖监测系统，能够实时上传井盖信息实现实时监测，可有效解决市政部门为地下管网安全所付出的人力物力巡查成本，也可以对城市管网运维的安全性提供实时的监控。

1 系统整体设计

智能井盖监测系统包括：后台管理系统、基于NB-IoT技术的数据传输模块和安装在井盖上的数据采集模块。该系统通过STM32微处理器对井盖进行实时监测，分别利用超声波液位、温湿度和可燃气体等传感器来监测井下的水位、温度、湿度及可燃气体浓度的实时数据和环境变化情况；同时使用姿态传感器对地表井盖状态(松动)监测。最后采用NB-IoT技术，将采集的井盖采集端数据信息通过NB-IoT模块由云平台上传到管理终端。管理人员能够实时了解并查看井盖信息，处理报警信息，实现井盖的智能化管理。系统整体设计结构如图1所示。

图1 系统整体设计结构

2 井盖采集端硬件设计

本系统硬件以STM32F103C8T6微处理器芯片作为核心，外围电路由数据采集模块及NB-IoT数据传输模块组成，硬件设计如图2所示。由于STM32F103微处理器属于中低端的32位ARM微处理器，内核为Cortex-M3，最高工作频率为72 MHz，具有2个12位模数转换器、3个通用定时器，多达9个通信接口，可以满足井下多类型传感器接口的功能需求。

图2 井盖采集端硬件设计

2.1 传感器采集接口设计说明

数据采集模块由温湿度传感器、可燃气体传感器、超声波液位传感器以及姿态传感器构成。

温湿度传感器采用DHT11温湿度复合传感器，其内部具有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并且与一个高性能的单片机连接，因此具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点[1]。该模块的DATA口与STM32微处理器的PA2口相连，实时测量井下温湿度。

可燃气体传感器采用MQ-2烟雾传感器，MQ-2对各种常见的可燃气体灵敏度较高，如丙烷、甲烷、一氧化碳等，对气体可燃蒸汽的检测也较为灵敏[2]。当井下可燃气体浓度升高，传感器的电导率增大，STM32使用通用I/O口PA3将电导率AD转换为可燃气体浓度值。

姿态传感器用来监测井盖是否松动以及角度变化的情况，这里采用MPU6050陀螺仪传感器。MPU6050能够实现1000 Hz采样频率，采样数据储存在内部寄存器中,能够实时更新及读取。由于MPU6050采用I2C协议通讯，这里STM32的PB10、PB11分别与MPU6050的SCL、SDA连接，可输出X,Y,Z轴的角速度[3]。通过对采集到的数据分析，可实时监测井盖是否松动或者被人为挪走情况的发生。

2.2 通信传输模块接口设计

NB-IoT主要实现将井盖采集端的微处理器监测到的数据实时发送到监测平台的功能。为了实现这一功能，可使用具有低功耗、大面积覆盖、强链接通信等特点的NB-IoT BC28模组，模组采用USART协议传输数据。STM32微处理器的PA9、PA10分别与NB-IoT模组的TX、RX相连，使用AT命令实现数据传输，波特率设置为9600 b/s。

3 系统软件设计

智能井盖监测系统的软件设计采用模块化的思路编写，分为下层采集信息的软件设计和上层数据传输的软件设计。

3.1 井盖采集端软件设计

井盖采集端软件设计主要包括：主程序、数据采集模块的程序，主程序流程图如图3所示。首先进行串口、定时器以及各模块的初始化，再对NB-IoT初始化，当NB-IoT模组与网络链接成功后，各模块采集数据可通过NB-IoT向后台发送数据，发送数据成功后会反馈到NB-IoT模块，NB-IoT模块继续向后台发送数据。

图3 主程序流程图

图4为主函数中的井盖端数据采集程序片段截图。当MQ-2没检测到可燃气体时，yanwu为1，否则为0；当未检测到可燃气体时，利用DMP读取MPU6050的pitch、roll、yaw数据，获得温度、加速度以及陀螺仪数据；通过HC-SR04得到距水面的距离，再通过DHT11获取温湿度值，oled显示数据信息，通过NB-IoT上传温湿度信息，如果检测到可燃气体将显示“Warning!!!!!!”。

图4 数据采集程序

3.2 管理终端软件设计

管理终端软件主要是实现对水位、温湿度、倾斜度及可燃气体浓度的远程实时监测，使用NB-IoT模块AT命令即可实现数据远程传输。在这里利用NB-IoT技术可以实现多点设备联网，通过NB-IoT实时将数据信息上传到网页版华为云，使得管理终端具有数据存储功能，可随时回看井盖信息，实时处理井盖警告信息等。华为云是一种基于浏览器的云管理平台，可以满足多个同产品设备的接入，可以实现自助服务方式，为用户提供云计算IT基础设施服务，具有成本低、弹性灵活、安全等特点。

4 结语

传统的监测系统都需要用网关汇聚采集终端的数据，并通过网络等有线方式进行数据传输。本设计主要以NB-IoT技术在城市市政领域的应用研究以及安全运维检测为研究背景，设计了一套以NB-IoT窄带宽物联网技术为基础的智能监测系统，系统是集多传感器采集、无线传输以及管理终端数据分析为一体的云端智能监控平台。该系统能够有效为市政公共设施提供网络化、智能化和实施监测，可以大大减少人力物力成本。