基于NB-IOT技术的智慧井盖监控系统设计及测试分析

马斯斯，刘 念，金鑫城

(国网北京亦庄供电公司，北京 100176)

在当前城市化进程不断加快的情况下，市政公用设施建设发展迅速，大多公共设施的线缆采取地埋方式，并通过井下维护方式进行管理，这种维护方式由于缺乏科学有效的管理手段，导致井盖丢失问题频发，影响设备的正常运行与交通安全。另外，由于缺少对井下状态的实时监控，导致水位与危害气体不能及时管理，出现严重的公共安全事故。基于此，需要加强城市井盖的维护与安全管理。根据当前物联网技术的发展，可使用NB-IOT技术开发智慧井盖监控平台，通过集成传感器实现对井下状态的实施监测与远程管理，实现自动报警与精准定位，有效提升井盖管理效率，减少井盖安全事故的发生。

1 NB-IOT技术和智慧井盖概述

1.1 NB-IOT技术

NB-IOT技术为窄带物联网技术，属于万物互联网络的重要分支。作为物联网领域中的一个新兴技术，NB-IOT技术以蜂窝网络为基础，在消耗极低信号宽带网络的情况下实现多领域网络覆盖，能够有效降低部署成本，实现高效网络连接，满足不同类型的互联网业务需求[1]。

NB-IOT具有这样几种显著特征：(1)广覆盖性。基于运营商蜂窝网络的物联网，可以实现在相同频段下超越当前GSM网络约20 dB的优化，有效提升网络覆盖面积，能够在地下管道、车库等信号较弱领域进行有效使用。(2)连接普适性，NB-IOT具有支持高效连接的作用，一个扇区支持10万个连接，并支持延迟低、敏感度低和设备功耗低等连接要求较高的网络架构需求，适应性较高。(3)低功率性，NB-IOT的终端模块具有长达10年的待机时间，在省电技术的应用下，可以有效降低能量损耗，延迟电池使用寿命，NB-IOT 聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IOT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。(4)低成本性，单个NB-IOT连接模块与芯片价格费用较低，可以有效降低网络部署成本，在海量终端设备的批量接入下，价格可以进一步降低，为海量终端设备接入提供成本保障。

1.2 智慧井盖

智慧井盖是基于智慧城市建设中的智能管理设计。在当前城市井盖数量繁多且产权复杂的情况下，井盖管理较为困难，年久失修的井盖缺少良好的通风换气功能，容易导致安全风险的出现，加上缺少实时监控，盗窃井盖的问题经常发生。在提升井盖管理质量，推动智慧城市建设的背景下，引入智慧井盖平台，提升井盖管理的智能化程度，将物联网终端与井盖紧密结合，实现信息互通与实时管理。智能型通风井盖，利用光伏给设备供电，起到节能环保。在特殊环境可用市电和光伏发电做双电源[2]。由于智慧井盖平台系统处于地下空间，数量繁多，为保证高效网络接入，降低网络部署成本，可以利用NB-IOT技术实现智慧井盖的物联网终端设计。基于NB-IOT技术的智慧井盖系统能够提升物联网覆盖面积，降低网络延迟，由于NB-IOT省电模式的利用，其电池电量可以支持多次的井盖闭合，满足多种传感器的实际作用发挥，实现井内环境监测、井盖通风、井盖防盗与远程操控等功能的实现。

2 平台系统方案与需求分析

智能井盖平台主要由智能监控中心软件平台、智能监控中心锁、物联网电池以及Nb发射器组成，同时融合了各种智能终端设备，内部装有电子锁，具有防偷盗功能，且监控主板可监控井盖及井下信息。利用多种类型传感器实现各种场景的应用，主要传感器包括加速度传感器、行程开关传感器、电子锁、水位传感器、可燃气体传感器等。平台系统功能的实现主要利用手机APP的业务平台，确定想要执行的功能，应用终端在利用传感器收集各种数据之后，利用现有NB移动基站进行信息传输，数据流通过PDN网关与物联网平台，传输至业务平台，最终在手机APP业务板块中呈现至管理人员[3]。

根据智慧井盖平台的描述，总结其系统功能需求主要体现在这样几个方面：

(1)视频播放功能。能够对静态图片与动态视频进行播放，对2 m范围内走向井盖的行人进行自动检测，保持监控画面旋转，使监控画面始终面向第一位触发自动开启装置的人；

(2)防盗功能。以验证代码的方式进行井盖开启，开启方法包括监控中心远程开启与现场终端设备扫码开启，在扫码无法开启的情况，只需输入设备编号认证即可开启。任何非法开启行为都会在移动终端进行报警；

(3)数据交换。通过互联网平台进行终端与后台之间的数据交换，实现软件升级。数据更新主要体现在广告宣传、新闻播放与活动直播等方面；

(4)远程监控。通过后台监控中心与移动APP终端设备实现对视频播放内容及井盖开启工作状态的实时监控。能够对所有终端井内的湿度、温度、水位与有害气体进行环境数据采集，在发生异常情况及时报警处理；

(5)自动开启。设计独立的开启装置，不仅能够提升防盗效果，同时也方便授权工作人员进行井下维护作业。可以在监控中心与移动端APP终端设备中发送解锁指令，实现井盖开启，井盖降落后执行井盖关锁指令；

(6)自动换气。针对当前各地区井内气体爆炸现象的出现，设计井盖自动换气功能，通过传感器收集井内气体浓度数据，设置指定参数，在气体浓度达到标准参数范围之后自动启动换气程序，降低井内气体爆炸现象的出现。

3 平台硬件设计

3.1 系统架构

该智慧井盖监控系统平台的系统构成主要包括数据采集层、通信层、应用服务层与应用终端。数据采集层对应井盖终端节点，以传感器对井内温度、湿度、水位与气体浓度进行实时监测与在线异常状态报警，收集各类井内信息。通信层是运营商的移动网络基站，实现数据传输功能，接收来自井盖终端传感器的各类信息数据，并传输至服务器进行下一步分析[4]。应用服务层主要是负责对所传输数据的分析与储存，核对数据中的相关参数并进行发布[5]。应用终端包括web端与移动端，也就是后台监控中心与手机移动APP，这些终端设备在接收来自服务器的数据之后，将数据呈现至管理人员，并进行异常数据警报，以便管理人员根据数据进行相应操作。整体系统架构如图1所示。

图1 智慧井盖检测系统架构图Fig.1 Architecture of Smart manhole cover Detection System

3.2 主控制器的电路设计

为实现主控制模块与传感器模块之间的良好数据信息传输，保证传感器功能的有效发挥，可采用ARM Cortex-M内核的32位系列微控制器作为主控制器，基于智慧井盖监测系统平台的功能需求，选择STM32F103RBT6单片机进行使用。此型号的微控制器为增强型系列，具有64引脚数量，适合在40～85 ℃的环境下工作。最高工作频率72 MHz，存储器为Flash存储器与SRAM存储器，具有低功耗的特征，以休眠、停止与待机3个模式减少电能损耗。在通信接口方面，在搭载标准通信接口的基础上，增添更多先进的通信接口，最多通信接口数量为13个，满足个性化的网络配置需求[6]。基于STM32F103RBT6的电源供电方案为，以外部电源提供电源电压，电压范围为2.0～3.6 V，VSSA和VDDA的电压范围为2.0～3.6 V，并连接到对应的电源。在电源管理方面，设置完整的POR与PDR电路，能够保证设备启动与使用电压的稳定性，在电源电压低于下限的时候，不需要手动复位也能保持在复位模式。

STM32F103RBT6芯片的应用，主要支持智慧井盖终端传感器完成数据采集与传输功能。数据采集：行程开关传感器与加速度传感器，对井盖打开发生位移产生加速度时发送进行信息；温度湿度传感器实时检测井内温度湿度变化；可燃气体传感器能够对井下可燃气体浓度进行实时监测；水位传感器实时监测井下水位变化情况，当水位超出标准值后发送预警信息。数据传输：传感器收集数据之后传输至通信模块，NB-IOT模块在收到芯片指令之后进入连接状态，利用射频网络发送数据到服务器进行下一步的分析与存储[7]。

3.3 NB-IOT模块设计

NB-IOT通信模组在STM32F103RBT6芯片指令的控制下进行数据调制，以射频信号的方式将数据传输至移动基站，并接收来自基站的射频信号，同样调制之后转化为数字信号传输至微控制器，实现控制器与基站之间的数据信息传输。NB-IOT通信模块主要包括BC26模块、滤波天线、指示灯与SIM卡座等，由锂电池提供电能。此平台NB-IOT通信模块采用的是MTK平台的新款NB-IOT BC26模组，厚度2.0 mm，长宽分别为15.8 mm和17.7 mm，质量1.2 g，供电电压2.1～3.63 V，典型供电电压为3.3 V，发射功率为2.3 dB，以LCC封装兼容移动远程通信，实现NB-IOT网络的灵活切换。外部接口支持OpenCPU功能，同时也支持各种物联网云平台的连接，提升应用普适性[8]。

为满足NB-IOT技术的实际应用场景，BC26模组具有3种不同的工作模式，根据实际平台工作需求，实现不同场景之间的模式转化，尤其是PSM工作状态下的电流为5 μA，在极大程度上降低能量损耗。在微控制器处于待机状态的情况下，无线通信模块被关闭进行休眠状态，在传感器收集并需要信息，向单片机发出唤醒信号的情况下，单片机执行一系列开启指令，BC26模组退出PSM模式并开始工作，实现数据传输功能。当经过特定时间没有收到来自单片机的工作执行，BC模块将自动进入休眠模式，以此降低功耗。

3.4 传感器模块设计

系统平台功能的发挥，来自于传感器对井下数据信息的收集，结合NB-IOT技术特性与智慧井盖数量情况，应遵循低功耗与安全稳定的原则，进行传感器的选择与模式设计。

3.4.1液位传感器

本系统平台选择压差液位传感器，当井下水位发生变化并超过预定值的时候，可以产生电压差，传感器检测到电压差信号来对井下水位实施监测。水位监控系统组网结构如图2所示。

图2 水位监控系统组网结构图Fig.2 Network structure diagram of the water level monitoring system

3.4.2压力传感器

为保证井盖的长期使用，需要对井盖所承受压力进行检测。布置压力传感器，主要包括压力传感器模块和数据转换模块，在传感器收集到压力数据之后，经过数据转化模块实现信号转换并传输至STM32处理器当中，在主系统中设置压力参数值，在压力大于参数值一定时间之后发出报警信息，联系工作人员进行现场察看。

3.4.3气体传感器

监测气体种类：可根据窨井类型，搭配使用氧气传感器、一氧化碳传感器、可燃气体传感器等多种类型的传感器。氧气传感器采用专业测试氧气浓度传感器探头作为核心检测器件；具有测量范围宽、精度高、线性度好、通用性好、使用方便、便于安装、传输距离远、价格适中等特点。氧气测量范围：0%～30%，氧气精度：<±读数3%(25 ℃)。一氧化碳传感器，传感器内输入电源，感应探头，信号输出3部分完全隔离，采用电化学探头，相较于传统的半导体探头具有更高的精确度和稳定性，CO精度：<±读数3%(25 ℃)，波特率：2 400/4 800/9 600，通讯端口：RS485。可燃气体传感器，可燃气体传感器采用专业测试可燃气体浓度传感器探头作为核心检测器件，具有测量范围宽、精度高、线性度好、通用性好、使用方便、便于安装、传输距离远、价格适中等特点，LEL测量范围：0%～100%LEL，测量方式：催化燃烧式，通讯端口：RS485。

3.4.4加速度传感器

为防止井盖失窃，本系统平台采用加速度传感器对井盖的倾斜程度进行监测，以睡眠与唤醒两种工作模式实现低功耗的监测。当加速度传感器偏移程度大于设定参数的情况下，自动唤醒单片机进入工作状态，并将传感器所采集到的20次加速度值传输至微控制器，计算20次加速度的平均值，在超过设定阈值的情况下将报警信息传输至服务器，在低于设定阈值的情况下，单片机自动停止工作进入待机模式。

4 平台软件设计

4.1 监控终端的软件设计

监控终端软件设计包括主程序、终端服务程序与服务接收程序。主程序流程为：首先对系统与NB-IOT模块进行初始化，初始化完成之后，STM32与定时器同时进入休眠状态，达到定时器所设定的时间之后进入工作状态，向传感器发送查询命令，实现对井内各项数据的采集与传输，并将特定数据上传至服务器。

4.2 管理系统的软件设计

该系统管理平台采取管理云平台的方式，通信协议为MQTT。精讯畅通智能物联网云平台用于设备的集中远程统一管理。该平台基于先进的浏览器/服务器(B/S)架构，用户通过WEB浏览器即可对设备进行远程监控、配置和管理，使用简便，可大大降低设备管理成本。平台主要功能包括这些方面：(1)支持多方终端系统管理，包括PC端浏览器、手机APP与微信公众号等；(2)远程监控与配置功能；(3)提供精准的GPS地图，可进行实时轨迹、历史轨迹与电子围栏的查询；(4)远程报警功能，在相关参数超过阈值之后自动发送报警信息；用户管理，进行管理端的分级分权限管理，设置独立的操作密码，可实现用户端自主功能开发[9]。

4.3 手机终端的软件设计

该系统平台支持各类型手机终端，包括手机APP与公众号，图3为搭配定位平台的手机端公众号管理界面。手机终端软件主要针对管理人员的管理使用进行设计，适合多种系统，搭配高德地图定位平台，实现对各个井盖的远程定位管理。设计井下水位模块、气体监测模块、用户管理模块、报警模块等多类型手机操作模块，用户可以点开任意模块进行井下状态监测。当井盖发生异常并发送报警信息时，针对报警信息类型，直接转入出现异常状态的井盖地图位置，实现定位与导航功能。以井盖倾斜翻动为例分析运行流程，在井盖被翻动产生倾斜的情况下，加速度传感器产生外部中断，唤醒处于休眠状态的单片机，程序进入外部中断的服务程序，对传感器所传达的加速度信息进行倾角计算，并与所设定阈值进行对比，在超出设定阈值的情况下唤醒通信模组，数据经过服务器形成报警信息，呈现至管理后台。

图3 手机端公众号智慧井盖管理界面Fig.3 Smart manhole cover management interface of mobile phone public number

4.4 测试与调试分析

该系统在经过多次的测试之后，结果表明各项模块数据稳定运行，达到预期效果。系统运行情况的测试方法为：建立维护端口，配置1台专用电脑，安装中心管理维护软件，对各在线监测基站进行监控：通过短信功能，让技术人员第一时间获得在线仪器的运行情况；通过网上发布的数据信息，实时了解系统运行情况，完全实现及时、快速的发现问题和解决问题的目的。关于设备的功耗测试，要求在井下利用锂电池进行长达数年的正常运行，对设备功耗要求极高，为达到降低功耗的目的，在程序设计环节加入休眠模式与唤醒模式等工作模式，设计中断装置，在传感器接收到异常井下信息时候触发中断装置，唤醒通信模块，使监测终端与信息终端始终处于低能耗运行的状态。采用万能表对本系统平台设备的功耗进行测量，发现运行电能功耗为78 μA符合低能耗运行标准[10]。对通信信号强度的测试，需以实地安装测试为标准，由于井盖材质等因素的影响，信号在传输过程中可能发生一定程度的衰减，为进一步验证井下通信性能，可以采取多个智慧井盖终端数据平均值进行测试。经过实地测试之后发现，由于移动信号基站NB-IOT网络部署的影响，在建筑物较多、信号强度差的区域，经过井盖的衰减，会出现无法连接后台的情况，针对这种情况，在该区域布置了螺旋天线，将其工作频段与NB-IOT保持一致，实现信号强度增益，效果良好。

该系统平台的调试包括程序代码调试与串口调试。针对程序代码调试，采用J-LINK作为实际调试工具，将USB接口转化为SW-DP接口，在PC端利用相关软件进行程序代码编写，编写完成会检测运行可行性并生成执行文件，由调试工具下载到智慧井盖的单片机当中，完成对设备的调试。对于串口调试来说，主要针对设备与物联网平台之间的通信稳定性进行通信模组AT指令调试，由于在实际通信过程中指令交互情况较多且不能出现差错，所以可以采用串口调试助手实现辅助调试，连接通信模块与PC端的串口管脚，在PC端模拟单片机与通信模块之间的信息交互情况，以保证程序运行的正确性。

5 结语

本文设计了基于NB-IOT的智慧井盖及监控平台。首先介绍NB-IOT技术和智慧井盖，分析NB-IOT技术的主要优势，结合智慧井盖的功能需求，设计出平台系统的整体方案，以应用层、平台层、网络层与设备层实现系统平台的运行。在硬件设计方面，主控制器采用STM32F103RBT6芯片，NB-IOT通信模块采用BC26模组，传感器包括压力、气体、加速度等传感器，实现各种监测功能。在软件设计方面，进行监控终端、管理系统与手机终端的软件设计，并对平台运行稳定性、能耗与信号连接强度进行测试，保证系统平台的整体运行效果，实现对城市井盖的智慧智能管理。