閆啟帆

太原工業(yè)學(xué)院，中國·山西 太原 030000

1 緒論

1.1 課題意義與背景

隨著中國城市化率不斷上升，井蓋作為城市地下管道系統(tǒng)的一部分，但監(jiān)測已經(jīng)成為困擾市政建設(shè)的難題。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)建立井蓋監(jiān)管系統(tǒng)，監(jiān)測井蓋狀態(tài)并將其數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器中實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)管，將成為智慧城市中一個重要的方面[1]。

該系統(tǒng)采用NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，其優(yōu)點為數(shù)據(jù)傳輸范圍廣、功耗低、穩(wěn)定性強和制造成本低廉，適用于城市井蓋數(shù)據(jù)監(jiān)測上傳的通信方式。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計總體框架

NB-IoT協(xié)議低速率廣域網(wǎng)滿足了的智慧井蓋的要求。基于云平臺的井蓋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計主要有三部分構(gòu)成，即監(jiān)測終端、無線通信模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。

監(jiān)測終端安裝于井蓋下，基于STM32微處理器連接無線通信模塊、顯示模塊、姿態(tài)傳感器、氣體傳感器、紅外避障傳感器收集井蓋傾斜角度、井窯內(nèi)可燃氣體濃度、水位超位數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.2 監(jiān)測終端設(shè)計

井蓋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測終端以STM32微處理器作為主控模塊連接傳感器模塊、無線通信模塊以及電源、報警模塊和顯示模塊。

狀態(tài)監(jiān)測終端主控模塊選擇STM32微處理器，協(xié)調(diào)完成各個模塊的工作，實現(xiàn)信息交互功能。傳感器模塊由MPU6050姿態(tài)傳感器、MQ2煙霧傳感器和E18-D80NK避障傳感器組成。以移動通信BC26模塊作為NB-IoT無線通信模塊。

2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控云平臺設(shè)計

OneNET云平臺是中國移動推出的開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺。作為一種PaaS模式云平臺，自帶的開發(fā)者控制界面簡介，在其上開發(fā)者能簡單快捷的完成設(shè)備的注冊與接入[2]。OneNET云平臺作為支持多種物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議供開發(fā)者使用。OneNET多種協(xié)議接入方式，開發(fā)者可按需選擇合適的協(xié)議。

2.4 基于NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)

NB-IoT全稱是Narrow Band IoT，即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，由3GPP組織多家通信公司開發(fā)的無線接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。主要是面向低速率、低功耗、長距離和多終端需求的LPWAN市場。構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，獨立使用的180KHz頻段，可直接架設(shè)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)之上。

NB-IoT優(yōu)勢：具有可連接海量終端、超低功耗、深度覆蓋、穩(wěn)定可靠、低成本等優(yōu)點和優(yōu)勢。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)終端設(shè)計

3.1 主控模塊設(shè)計

主控模塊是數(shù)據(jù)控制終端硬件設(shè)計的核心，通過通信接口與傳感器模塊和無線通信模塊完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。本設(shè)計選擇STM32L151RCT6最小系統(tǒng)作為終端的微處理器。STM32L151RCT6時意法半導(dǎo)體推出的基于Cortex-M3內(nèi)核其結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)難度低簡單易用。

3.2 傳感器模塊設(shè)計

通過傳感器模塊獲得井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)。使用姿態(tài)傳感器監(jiān)測井蓋傾斜角度以此判別井蓋存在狀態(tài)；氣體傳感器監(jiān)測井窯內(nèi)可燃氣體濃度狀態(tài)；紅外避障傳感器監(jiān)測水位超位狀態(tài)[3]。

3.3 姿態(tài)、煙霧和紅外避障傳感器選用設(shè)計

姿態(tài)傳感器選用MPU6050六軸傳感器模塊。通過該芯片可以監(jiān)測井蓋自身的移動狀態(tài)。煙霧傳感器選擇MQ-2傳感器檢測可燃氣體濃度，通過二氧化錫作為氣敏材料在不同氣體中有特殊的電導(dǎo)特性，對天然氣和眾多可燃蒸汽的檢測靈敏度較高，檢測數(shù)值準(zhǔn)確。紅外避障傳感器E18-D80NK對水位是否超位進行檢測，利用紅外光的反射原理計算出障礙物與的傳感器自身的距離。

3.4 無線通信模塊選擇

用于物聯(lián)網(wǎng)的主流無線通信技術(shù)主要有Wi-Fi、ZigBee、藍牙為代表的短距離方式和以NB-IoT、LoRa為代表的低速率廣域網(wǎng)。三種NB-IoT通信芯片對比見表1。

表1 通信芯片對比

通過比較可得知，BC26頻帶齊全，功耗最低價格最低，而且穩(wěn)定安全是最具性價比的NB-IoT無線通信模塊。

4 軟件設(shè)計和云平臺設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測終端軟件設(shè)計

本系統(tǒng)終端選擇以C語言為開發(fā)語言，Keil5和STM32 CubeMX為編譯軟件。

4.2 傳感器和無線通信模塊程序設(shè)計

傳感器模塊分為姿態(tài)傳感器、煙霧傳感器和紅外避障傳感器三個。姿態(tài)傳感器通過IIC通信與STM32主控模塊連接，其他兩個傳感器以usart串口通信與STM32主控模塊連接。

無線通信模塊基于BC26進行程序編寫。主控模塊使用AT指令通過串口完成數(shù)據(jù)交互，達到上云服務(wù)器的目的。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測云平臺設(shè)計

OneNET在物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)如下圖所示，作為PaaS層，OneNET可以作為處于SaaS層與終端設(shè)備之間，為用戶在SaaS層的應(yīng)用開發(fā)服務(wù)。

5 系統(tǒng)功能測試

5.1 開發(fā)環(huán)境以及正常工作狀態(tài)

最終監(jiān)測終端工作狀態(tài)下實物如圖2所示。

圖2 監(jiān)測終端實物

5.2 結(jié)果分析

通過模擬環(huán)境測試，對各傳感器分別進行測試，測試結(jié)果顯示正常，系統(tǒng)可以正常運行，反應(yīng)靈敏，系統(tǒng)具有很高的可靠性。測試出的數(shù)據(jù)與實際誤差較小，確保了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。監(jiān)測終端設(shè)備與云平臺之間信息傳輸延遲較小，實現(xiàn)了實時監(jiān)控。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)通過制作低功耗廣域網(wǎng)的監(jiān)測終端設(shè)備并將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，在云平臺統(tǒng)一管理，解決了舊式井蓋管理模式的缺陷。

①通過對比多種無線通信技術(shù)、多家公司運營商的云平臺以及通信協(xié)議，經(jīng)過比對挑選以STM32L151RCT6為主控芯片，BC26芯片為NB-IoT通信模塊，OneNET云平臺作為數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。

②通過MPU6059傳感器能夠監(jiān)測井蓋的傾斜角度；通過MQ-2煙霧傳感器監(jiān)測井窯燃氣管線是否有泄漏的情況，通過E18-D80NK紅外避障傳感器通過紅外線反射的原理實現(xiàn)水位超位監(jiān)測。

③設(shè)計無線通信模塊，編寫各模塊的程序設(shè)計，將收集的環(huán)境數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT無線通信模塊和顯示模塊、電源模塊組合，完成各模塊之間數(shù)據(jù)交互。

④以O(shè)neNET云平臺作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲云平臺，將采集到的數(shù)據(jù)信息上傳至中國移動的OneNET云平臺上，實現(xiàn)了在Web端以清晰簡潔的界面查看數(shù)據(jù)信息。