楊曉明

摘 要：文中介紹了基于NB-IoT信號傳輸技術的地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過多種類型的傳感器組及電子門鎖，實時監(jiān)測臺站運行環(huán)境狀態(tài)信息。同時，通過NB-IoT網絡將臺站運行狀態(tài)數據實時上傳至運行監(jiān)控云平臺。文中對系統(tǒng)架構、硬件電路設計、平臺軟件功能等進行了介紹，該系統(tǒng)具有實時監(jiān)控、無人值守、異常報警等特點，進行了將NB-IoT數據傳輸技術應用于地震臺站監(jiān)測的嘗試。

關鍵詞：地震監(jiān)測臺站;NB-IoT模組;實時監(jiān)控;異常報警;MCU控制電路;STM32

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

地震監(jiān)測臺站是擁有一種或多種地震和地震前兆監(jiān)測手段，專門從事地震監(jiān)測的站點，是國家地震監(jiān)測網的重要組成部分。隨著中國地震局“十二五”規(guī)劃順利實施，地震監(jiān)測臺站信息化改造初步完成，全國無人值守的地震臺站數量大幅增加，地震監(jiān)測能力不斷提升，但是也帶來了無人值守站點的監(jiān)控難、故障發(fā)現不及時、運維人力成本高等問題[1]。

隨著電子信息技術的飛速發(fā)展，物聯(lián)網、云計算、大數據等新興技術逐漸在地震監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用。根據《防災減災“十三五”專項規(guī)劃—地震信息化規(guī)劃》中提出的“智慧地震”發(fā)展戰(zhàn)略[2]，我們嘗試將基于NB-IoT網絡的物聯(lián)網數據傳輸技術運用到地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)測服務中，開展網絡化、智能化、服務化、協(xié)同化的業(yè)務發(fā)展新型式。本文介紹了基于NB-IoT技術的地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)方案，為地震監(jiān)測智能化、信息化發(fā)展提供服務及技術支持。

1 系統(tǒng)方案及功能

系統(tǒng)通過前端傳感器組、終端設備等獲取地震臺站運行狀態(tài)的數據信息后，利用NB-IoT通信模組將數據發(fā)送至地震臺站運行監(jiān)控云平臺及手機APP客戶端。地震監(jiān)測中心管理員可通過監(jiān)控云平臺實時了解臺站運行狀態(tài)信息，當臺站出現異常狀態(tài)時會實時在平臺端、手機端進行報警、消息推送，管理員可針對異常站點、故障設備信息給臺站維護人員下派工單進行檢修。系統(tǒng)結構如圖1所示。

系統(tǒng)的感知層中包含電子門鎖、水浸傳感器、溫濕度傳感器、振動傳感器、傾斜傳感器、電壓監(jiān)控模塊等傳感器組，可實時監(jiān)測地震監(jiān)測臺站的運行狀態(tài)，并通過NB-IoT模組將數據實時上傳至監(jiān)控云平臺。當出現非法開門、供電異常、水浸、傾斜等異常狀態(tài)時，可通過平臺報警、手機APP推送異常信息等方式通知監(jiān)控中心管理人員關注，及時安排維修人員進行站點檢修、維護。同時，系統(tǒng)還具有遠程控制監(jiān)測站點電子門鎖開關功能，提高站點安全性。該系統(tǒng)主要定位于為城市地震臺站運行狀態(tài)提供監(jiān)控服務，同時具有多場景擴展性，可廣泛應用于運營商、電力部門等室內外箱體運行狀態(tài)的監(jiān)控與管理。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括主控電路、NB模組通信電路、電源電路、電子門鎖控制電路等，完成對地震臺站運行狀態(tài)中電子門鎖狀態(tài)、溫濕度、傾斜、震動、供電方式及電壓等信息的采集與傳輸。

2.1 主控電路

主控電路連接電子門鎖控制電路、前端傳感器、NB-IoT通信模組、電源電路等，實現數據采集與控制。系統(tǒng)MCU選用TI公司設計生產的Cortex-M3超低功耗系列STM32L152CCT6A芯片，工作電壓為DC 1.8～3.6 V，休眠狀態(tài)功耗為0.28 μA。在連接性方面，具有1路USB 2.0，3路USART，2路SPI，2路I2C等接口，滿足了多路傳感器信號數據傳輸需求。電路采用16 MHz外部晶振作為系統(tǒng)時鐘，LSE采用32.768 kHz作為RTC時鐘，保證在系統(tǒng)掉電時備份寄存器數據和系統(tǒng)時間不丟失。主控電路原理如圖2所示。

MCU連接電子門鎖控制電路，可實時監(jiān)控門鎖開關狀態(tài)，判斷是否存在非法開門、誤開門和長時間未閉合等問題，同時具有遠程開關電子鎖功能。連接溫濕度傳感器、傾斜傳感器、水浸傳感器、振動傳感器等，監(jiān)控臺站運行環(huán)境狀態(tài)。接入供電狀態(tài)監(jiān)測電路，對供電方式、蓄電池壽命等進行監(jiān)測，保證站點供電安全。

2.2 NB-IoT通信模組

NB-IoT通信模組采用中國電子科技集團公司第二十二研究所天博電子信息科技有限公司自主研發(fā)的TB-22型號通信模組。

TB-22是一款高性能、低功耗、多頻段的NB-IoT無線通信模組，供電電壓為3.1～4.2 V，產品尺寸為24 mm×

15.5 mm×2.2 mm，可滿足終端設備小型化設計需求。TB-22的待機功耗為5 μA，數據傳輸最大速率功耗為250 mA，最大輸出功率為（23±2）dB，支持NB-IoT網絡，工作頻段為H-FDD B3，B5，B8，采用LCC封裝，內嵌網絡服務協(xié)議棧。接口包括2個UART接口，1個ADC接口，1個USIM卡接口，1個RESET接口，1個天線接口。

主控電路與TB-22模組通過串口方式通信，通過運營商NB-IoT網絡將數據實時發(fā)送至監(jiān)控云平臺，數據量、數據格式、時間間隔等參數可以根據用戶實際需求設置。

2.3 電源電路

系統(tǒng)供電采用地震監(jiān)測臺站市電供電，同時使用電池作為備用供電。在電源輸入端配置過流保護和自恢復保險電路，并加入電壓狀態(tài)監(jiān)測端口，當臺站的供電方式（由市電變?yōu)樾铍姵兀┌l(fā)生變化，以及蓄電池電量過低時可向監(jiān)控云平臺發(fā)送異常狀態(tài)信息。系統(tǒng)MCU供電電壓為DC 3.3 V，使用DC-DC電源轉換。備用電池是為了保障當臺站內市電、蓄電池兩種供電方式均出現故障時監(jiān)控系統(tǒng)可持續(xù)工作，并及時向云平臺發(fā)送報警信息。

3 地震臺站運行監(jiān)控云平臺

地震臺站運行監(jiān)控云平臺軟件系統(tǒng)的設計基于安全、可靠、實用、易于維護的要求，以基于J2EE的多層體系結構為系統(tǒng)架構，采用模塊化設計方式，結合Web Service技術，開發(fā)維護方便，軟件可重復使用性和擴展性較高[4]。

平臺主要功能包括臺站管理、基礎信息管理、綜合信息管理、報警信息管理以及用戶管理、維修工單下達、移動端信息推送等。圖3所示為地震臺站運行監(jiān)控云平臺系統(tǒng)界面。

監(jiān)控中心管理人員可通過平臺進行地震臺站管理工作，建立地震臺站中地震監(jiān)測設備臺賬、地理位置信息等，具有數據處理、數據存儲、數據分析能力?？赏ㄟ^綜合信息管理對用戶信息、用戶權限、工單管理、電子門鎖開關操作等進行設置，可對臺站運行狀態(tài)數據信息以及報警信息進行處理、存儲、分析、追朔等操作，可設置查詢條件方便查詢日志信息。

當臺站運行出現異常狀態(tài)時，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警，在平臺循環(huán)顯示報警信息、地圖異常站點閃爍提示，同時向相關負責人的手機APP客戶端及微信小程序推送報警信息。監(jiān)控中心管理人員通過報警信息迅速定位異常站點、異常設備，并及時安排維護人員查看故障信息并及時進行處理，最后維修人員將處理結果通過APP反饋回監(jiān)控云平臺。

4 結 語

基于NB-IoT的地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是物聯(lián)網技術在地震監(jiān)測領域的融合應用，系統(tǒng)設計合理、功能實用，實現了對無人值守地震監(jiān)測臺站運行環(huán)境的實時監(jiān)控，可對異常報警信息迅速定位、明確故障設備、及時派單維修，具有良好的市場和應用前景。但由于NB-IoT網絡覆蓋的問題，目前適用范圍局限在城市內的地震監(jiān)測站點，后期隨著NB-IoT網絡覆蓋范圍的擴大，系統(tǒng)應用面會更加廣闊。

參考文獻

[1]張曉宇，陳靜，馬偉霞.基于Nagios的無人值守地震臺站市電狀態(tài)監(jiān)控的方法與實現[J].電腦編程技巧與維護，2019（6）：126-127.

[2]國家發(fā)展改革委員會.防震減災規(guī)劃（2016-2020）[EB/OL].[2017-06-05].

[3]謝運洲.NB-IoT技術詳解與行業(yè)應用[M].北京：科學出版社，2017：8-30.

[4]孫長翔，徐斌，汪文杰，等.基于物聯(lián)網的光交箱狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].通訊世界，2015（2）：226-228.

[5]孟祥麗，孟凡興，孟建國.地震前兆臺站運行監(jiān)控與管理信息系統(tǒng)的設計[J].華南地震，2012（1）：85-92.

[6]張秀萍，王曰風，鄭毅，等.數字地震臺電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].地震地磁觀測與研究，2017（4）：218-221.

[7]李俊超，趙瑞，王秋良.地震臺站綜合觀測儀器自動化監(jiān)控報警系統(tǒng)的設計與實現[J].大地測量與地球動力學，2019（1）：107-110.

[8]繆杰.分布式地震前兆臺站綜合管理系統(tǒng)設計與實現[D].曲阜：曲阜師范大學，2018.

[9]全建軍，陳美梅，賴見深，等.基于GSM的無人值守地震臺站遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].地震工程學報，2018（A01）：153-162.

[10]陳吉鋒，陳軍輝，應昶，等.無人職守地震臺站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現[J].地震研究，2012（3）：429-433.