馬斯斯，劉 念，金鑫城

(國(guó)網(wǎng)北京亦莊供電公司，北京 100176)

在當(dāng)前城市化進(jìn)程不斷加快的情況下，市政公用設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，大多公共設(shè)施的線纜采取地埋方式，并通過(guò)井下維護(hù)方式進(jìn)行管理，這種維護(hù)方式由于缺乏科學(xué)有效的管理手段，導(dǎo)致井蓋丟失問(wèn)題頻發(fā)，影響設(shè)備的正常運(yùn)行與交通安全。另外，由于缺少對(duì)井下?tīng)顟B(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，導(dǎo)致水位與危害氣體不能及時(shí)管理，出現(xiàn)嚴(yán)重的公共安全事故?；诖?，需要加強(qiáng)城市井蓋的維護(hù)與安全管理。根據(jù)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可使用NB-IOT技術(shù)開(kāi)發(fā)智慧井蓋監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)集成傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)井下?tīng)顟B(tài)的實(shí)施監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警與精準(zhǔn)定位，有效提升井蓋管理效率，減少井蓋安全事故的發(fā)生。

1 NB-IOT技術(shù)和智慧井蓋概述

1.1 NB-IOT技術(shù)

NB-IOT技術(shù)為窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，屬于萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要分支。作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的一個(gè)新興技術(shù)，NB-IOT技術(shù)以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在消耗極低信號(hào)寬帶網(wǎng)絡(luò)的情況下實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋，能夠有效降低部署成本，實(shí)現(xiàn)高效網(wǎng)絡(luò)連接，滿(mǎn)足不同類(lèi)型的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求[1]。

NB-IOT具有這樣幾種顯著特征：(1)廣覆蓋性?；谶\(yùn)營(yíng)商蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)在相同頻段下超越當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)約20 dB的優(yōu)化，有效提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，能夠在地下管道、車(chē)庫(kù)等信號(hào)較弱領(lǐng)域進(jìn)行有效使用。(2)連接普適性，NB-IOT具有支持高效連接的作用，一個(gè)扇區(qū)支持10萬(wàn)個(gè)連接，并支持延遲低、敏感度低和設(shè)備功耗低等連接要求較高的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求，適應(yīng)性較高。(3)低功率性，NB-IOT的終端模塊具有長(zhǎng)達(dá)10年的待機(jī)時(shí)間，在省電技術(shù)的應(yīng)用下，可以有效降低能量損耗，延遲電池使用壽命，NB-IOT 聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IOT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過(guò)去的幾個(gè)月大幅提升到幾年。(4)低成本性，單個(gè)NB-IOT連接模塊與芯片價(jià)格費(fèi)用較低，可以有效降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，在海量終端設(shè)備的批量接入下，價(jià)格可以進(jìn)一步降低，為海量終端設(shè)備接入提供成本保障。

1.2 智慧井蓋

智慧井蓋是基于智慧城市建設(shè)中的智能管理設(shè)計(jì)。在當(dāng)前城市井蓋數(shù)量繁多且產(chǎn)權(quán)復(fù)雜的情況下，井蓋管理較為困難，年久失修的井蓋缺少良好的通風(fēng)換氣功能，容易導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)，加上缺少實(shí)時(shí)監(jiān)控，盜竊井蓋的問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生。在提升井蓋管理質(zhì)量，推動(dòng)智慧城市建設(shè)的背景下，引入智慧井蓋平臺(tái)，提升井蓋管理的智能化程度，將物聯(lián)網(wǎng)終端與井蓋緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息互通與實(shí)時(shí)管理。智能型通風(fēng)井蓋，利用光伏給設(shè)備供電，起到節(jié)能環(huán)保。在特殊環(huán)境可用市電和光伏發(fā)電做雙電源[2]。由于智慧井蓋平臺(tái)系統(tǒng)處于地下空間，數(shù)量繁多，為保證高效網(wǎng)絡(luò)接入，降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，可以利用NB-IOT技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧井蓋的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)。基于NB-IOT技術(shù)的智慧井蓋系統(tǒng)能夠提升物聯(lián)網(wǎng)覆蓋面積，降低網(wǎng)絡(luò)延遲，由于NB-IOT省電模式的利用，其電池電量可以支持多次的井蓋閉合，滿(mǎn)足多種傳感器的實(shí)際作用發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)井內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、井蓋通風(fēng)、井蓋防盜與遠(yuǎn)程操控等功能的實(shí)現(xiàn)。

2 平臺(tái)系統(tǒng)方案與需求分析

智能井蓋平臺(tái)主要由智能監(jiān)控中心軟件平臺(tái)、智能監(jiān)控中心鎖、物聯(lián)網(wǎng)電池以及Nb發(fā)射器組成，同時(shí)融合了各種智能終端設(shè)備，內(nèi)部裝有電子鎖，具有防偷盜功能，且監(jiān)控主板可監(jiān)控井蓋及井下信息。利用多種類(lèi)型傳感器實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景的應(yīng)用，主要傳感器包括加速度傳感器、行程開(kāi)關(guān)傳感器、電子鎖、水位傳感器、可燃?xì)怏w傳感器等。平臺(tái)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要利用手機(jī)APP的業(yè)務(wù)平臺(tái)，確定想要執(zhí)行的功能，應(yīng)用終端在利用傳感器收集各種數(shù)據(jù)之后，利用現(xiàn)有NB移動(dòng)基站進(jìn)行信息傳輸，數(shù)據(jù)流通過(guò)PDN網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，傳輸至業(yè)務(wù)平臺(tái)，最終在手機(jī)APP業(yè)務(wù)板塊中呈現(xiàn)至管理人員[3]。

根據(jù)智慧井蓋平臺(tái)的描述，總結(jié)其系統(tǒng)功能需求主要體現(xiàn)在這樣幾個(gè)方面：

(1)視頻播放功能。能夠?qū)o態(tài)圖片與動(dòng)態(tài)視頻進(jìn)行播放，對(duì)2 m范圍內(nèi)走向井蓋的行人進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，保持監(jiān)控畫(huà)面旋轉(zhuǎn)，使監(jiān)控畫(huà)面始終面向第一位觸發(fā)自動(dòng)開(kāi)啟裝置的人；

(2)防盜功能。以驗(yàn)證代碼的方式進(jìn)行井蓋開(kāi)啟，開(kāi)啟方法包括監(jiān)控中心遠(yuǎn)程開(kāi)啟與現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備掃碼開(kāi)啟，在掃碼無(wú)法開(kāi)啟的情況，只需輸入設(shè)備編號(hào)認(rèn)證即可開(kāi)啟。任何非法開(kāi)啟行為都會(huì)在移動(dòng)終端進(jìn)行報(bào)警；

(3)數(shù)據(jù)交換。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行終端與后臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)。數(shù)據(jù)更新主要體現(xiàn)在廣告宣傳、新聞播放與活動(dòng)直播等方面；

(4)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控中心與移動(dòng)APP終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻播放內(nèi)容及井蓋開(kāi)啟工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。能夠?qū)λ薪K端井內(nèi)的濕度、溫度、水位與有害氣體進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，在發(fā)生異常情況及時(shí)報(bào)警處理；

(5)自動(dòng)開(kāi)啟。設(shè)計(jì)獨(dú)立的開(kāi)啟裝置，不僅能夠提升防盜效果，同時(shí)也方便授權(quán)工作人員進(jìn)行井下維護(hù)作業(yè)?？梢栽诒O(jiān)控中心與移動(dòng)端APP終端設(shè)備中發(fā)送解鎖指令，實(shí)現(xiàn)井蓋開(kāi)啟，井蓋降落后執(zhí)行井蓋關(guān)鎖指令；

(6)自動(dòng)換氣。針對(duì)當(dāng)前各地區(qū)井內(nèi)氣體爆炸現(xiàn)象的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)井蓋自動(dòng)換氣功能，通過(guò)傳感器收集井內(nèi)氣體濃度數(shù)據(jù)，設(shè)置指定參數(shù)，在氣體濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍之后自動(dòng)啟動(dòng)換氣程序，降低井內(nèi)氣體爆炸現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該智慧井蓋監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括數(shù)據(jù)采集層、通信層、應(yīng)用服務(wù)層與應(yīng)用終端。數(shù)據(jù)采集層對(duì)應(yīng)井蓋終端節(jié)點(diǎn)，以傳感器對(duì)井內(nèi)溫度、濕度、水位與氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線異常狀態(tài)報(bào)警，收集各類(lèi)井內(nèi)信息。通信層是運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，接收來(lái)自井蓋終端傳感器的各類(lèi)信息數(shù)據(jù)，并傳輸至服務(wù)器進(jìn)行下一步分析[4]。應(yīng)用服務(wù)層主要是負(fù)責(zé)對(duì)所傳輸數(shù)據(jù)的分析與儲(chǔ)存，核對(duì)數(shù)據(jù)中的相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行發(fā)布[5]。應(yīng)用終端包括web端與移動(dòng)端，也就是后臺(tái)監(jiān)控中心與手機(jī)移動(dòng)APP，這些終端設(shè)備在接收來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)至管理人員，并進(jìn)行異常數(shù)據(jù)警報(bào)，以便管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)操作。整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧井蓋檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of Smart manhole cover Detection System

3.2 主控制器的電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)主控制模塊與傳感器模塊之間的良好數(shù)據(jù)信息傳輸，保證傳感器功能的有效發(fā)揮，可采用ARM Cortex-M內(nèi)核的32位系列微控制器作為主控制器，基于智慧井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的功能需求，選擇STM32F103RBT6單片機(jī)進(jìn)行使用。此型號(hào)的微控制器為增強(qiáng)型系列，具有64引腳數(shù)量，適合在40～85 ℃的環(huán)境下工作。最高工作頻率72 MHz，存儲(chǔ)器為Flash存儲(chǔ)器與SRAM存儲(chǔ)器，具有低功耗的特征，以休眠、停止與待機(jī)3個(gè)模式減少電能損耗。在通信接口方面，在搭載標(biāo)準(zhǔn)通信接口的基礎(chǔ)上，增添更多先進(jìn)的通信接口，最多通信接口數(shù)量為13個(gè)，滿(mǎn)足個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)配置需求[6]?；赟TM32F103RBT6的電源供電方案為，以外部電源提供電源電壓，電壓范圍為2.0～3.6 V，VSSA和VDDA的電壓范圍為2.0～3.6 V，并連接到對(duì)應(yīng)的電源。在電源管理方面，設(shè)置完整的POR與PDR電路，能夠保證設(shè)備啟動(dòng)與使用電壓的穩(wěn)定性，在電源電壓低于下限的時(shí)候，不需要手動(dòng)復(fù)位也能保持在復(fù)位模式。

STM32F103RBT6芯片的應(yīng)用，主要支持智慧井蓋終端傳感器完成數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。數(shù)據(jù)采集：行程開(kāi)關(guān)傳感器與加速度傳感器，對(duì)井蓋打開(kāi)發(fā)生位移產(chǎn)生加速度時(shí)發(fā)送進(jìn)行信息；溫度濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)井內(nèi)溫度濕度變化；可燃?xì)怏w傳感器能夠?qū)驴扇細(xì)怏w濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；水位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下水位變化情況，當(dāng)水位超出標(biāo)準(zhǔn)值后發(fā)送預(yù)警信息。數(shù)據(jù)傳輸：傳感器收集數(shù)據(jù)之后傳輸至通信模塊，NB-IOT模塊在收到芯片指令之后進(jìn)入連接狀態(tài)，利用射頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器進(jìn)行下一步的分析與存儲(chǔ)[7]。

3.3 NB-IOT模塊設(shè)計(jì)

NB-IOT通信模組在STM32F103RBT6芯片指令的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，以射頻信號(hào)的方式將數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)基站，并接收來(lái)自基站的射頻信號(hào)，同樣調(diào)制之后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸至微控制器，實(shí)現(xiàn)控制器與基站之間的數(shù)據(jù)信息傳輸。NB-IOT通信模塊主要包括BC26模塊、濾波天線、指示燈與SIM卡座等，由鋰電池提供電能。此平臺(tái)NB-IOT通信模塊采用的是MTK平臺(tái)的新款NB-IOT BC26模組，厚度2.0 mm，長(zhǎng)寬分別為15.8 mm和17.7 mm，質(zhì)量1.2 g，供電電壓2.1～3.63 V，典型供電電壓為3.3 V，發(fā)射功率為2.3 dB，以LCC封裝兼容移動(dòng)遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)的靈活切換。外部接口支持OpenCPU功能，同時(shí)也支持各種物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的連接，提升應(yīng)用普適性[8]。

為滿(mǎn)足NB-IOT技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，BC26模組具有3種不同的工作模式，根據(jù)實(shí)際平臺(tái)工作需求，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景之間的模式轉(zhuǎn)化，尤其是PSM工作狀態(tài)下的電流為5 μA，在極大程度上降低能量損耗。在微控制器處于待機(jī)狀態(tài)的情況下，無(wú)線通信模塊被關(guān)閉進(jìn)行休眠狀態(tài)，在傳感器收集并需要信息，向單片機(jī)發(fā)出喚醒信號(hào)的情況下，單片機(jī)執(zhí)行一系列開(kāi)啟指令，BC26模組退出PSM模式并開(kāi)始工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。當(dāng)經(jīng)過(guò)特定時(shí)間沒(méi)有收到來(lái)自單片機(jī)的工作執(zhí)行，BC模塊將自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，以此降低功耗。

3.4 傳感器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)功能的發(fā)揮，來(lái)自于傳感器對(duì)井下數(shù)據(jù)信息的收集，結(jié)合NB-IOT技術(shù)特性與智慧井蓋數(shù)量情況，應(yīng)遵循低功耗與安全穩(wěn)定的原則，進(jìn)行傳感器的選擇與模式設(shè)計(jì)。

3.4.1液位傳感器

本系統(tǒng)平臺(tái)選擇壓差液位傳感器，當(dāng)井下水位發(fā)生變化并超過(guò)預(yù)定值的時(shí)候，可以產(chǎn)生電壓差，傳感器檢測(cè)到電壓差信號(hào)來(lái)對(duì)井下水位實(shí)施監(jiān)測(cè)。水位監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水位監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Network structure diagram of the water level monitoring system

3.4.2壓力傳感器

為保證井蓋的長(zhǎng)期使用，需要對(duì)井蓋所承受壓力進(jìn)行檢測(cè)。布置壓力傳感器，主要包括壓力傳感器模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，在傳感器收集到壓力數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換并傳輸至STM32處理器當(dāng)中，在主系統(tǒng)中設(shè)置壓力參數(shù)值，在壓力大于參數(shù)值一定時(shí)間之后發(fā)出報(bào)警信息，聯(lián)系工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)察看。

3.4.3氣體傳感器

監(jiān)測(cè)氣體種類(lèi)：可根據(jù)窨井類(lèi)型，搭配使用氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、可燃?xì)怏w傳感器等多種類(lèi)型的傳感器。氧氣傳感器采用專(zhuān)業(yè)測(cè)試氧氣濃度傳感器探頭作為核心檢測(cè)器件；具有測(cè)量范圍寬、精度高、線性度好、通用性好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠(yuǎn)、價(jià)格適中等特點(diǎn)。氧氣測(cè)量范圍：0%～30%，氧氣精度：<±讀數(shù)3%(25 ℃)。一氧化碳傳感器，傳感器內(nèi)輸入電源，感應(yīng)探頭，信號(hào)輸出3部分完全隔離，采用電化學(xué)探頭，相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探頭具有更高的精確度和穩(wěn)定性，CO精度：<±讀數(shù)3%(25 ℃)，波特率：2 400/4 800/9 600，通訊端口：RS485?？扇?xì)怏w傳感器，可燃?xì)怏w傳感器采用專(zhuān)業(yè)測(cè)試可燃?xì)怏w濃度傳感器探頭作為核心檢測(cè)器件，具有測(cè)量范圍寬、精度高、線性度好、通用性好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠(yuǎn)、價(jià)格適中等特點(diǎn)，LEL測(cè)量范圍：0%～100%LEL，測(cè)量方式：催化燃燒式，通訊端口：RS485。

3.4.4加速度傳感器

為防止井蓋失竊，本系統(tǒng)平臺(tái)采用加速度傳感器對(duì)井蓋的傾斜程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以睡眠與喚醒兩種工作模式實(shí)現(xiàn)低功耗的監(jiān)測(cè)。當(dāng)加速度傳感器偏移程度大于設(shè)定參數(shù)的情況下，自動(dòng)喚醒單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，并將傳感器所采集到的20次加速度值傳輸至微控制器，計(jì)算20次加速度的平均值，在超過(guò)設(shè)定閾值的情況下將報(bào)警信息傳輸至服務(wù)器，在低于設(shè)定閾值的情況下，單片機(jī)自動(dòng)停止工作進(jìn)入待機(jī)模式。

4 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)包括主程序、終端服務(wù)程序與服務(wù)接收程序。主程序流程為：首先對(duì)系統(tǒng)與NB-IOT模塊進(jìn)行初始化，初始化完成之后，STM32與定時(shí)器同時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，達(dá)到定時(shí)器所設(shè)定的時(shí)間之后進(jìn)入工作狀態(tài)，向傳感器發(fā)送查詢(xún)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)井內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，并將特定數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

4.2 管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)管理平臺(tái)采取管理云平臺(tái)的方式，通信協(xié)議為MQTT。精訊暢通智能物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)用于設(shè)備的集中遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理。該平臺(tái)基于先進(jìn)的瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)，用戶(hù)通過(guò)WEB瀏覽器即可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、配置和管理，使用簡(jiǎn)便，可大大降低設(shè)備管理成本。平臺(tái)主要功能包括這些方面：(1)支持多方終端系統(tǒng)管理，包括PC端瀏覽器、手機(jī)APP與微信公眾號(hào)等；(2)遠(yuǎn)程監(jiān)控與配置功能；(3)提供精準(zhǔn)的GPS地圖，可進(jìn)行實(shí)時(shí)軌跡、歷史軌跡與電子圍欄的查詢(xún)；(4)遠(yuǎn)程報(bào)警功能，在相關(guān)參數(shù)超過(guò)閾值之后自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息；用戶(hù)管理，進(jìn)行管理端的分級(jí)分權(quán)限管理，設(shè)置獨(dú)立的操作密碼，可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)端自主功能開(kāi)發(fā)[9]。

4.3 手機(jī)終端的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)平臺(tái)支持各類(lèi)型手機(jī)終端，包括手機(jī)APP與公眾號(hào)，圖3為搭配定位平臺(tái)的手機(jī)端公眾號(hào)管理界面。手機(jī)終端軟件主要針對(duì)管理人員的管理使用進(jìn)行設(shè)計(jì)，適合多種系統(tǒng)，搭配高德地圖定位平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)井蓋的遠(yuǎn)程定位管理。設(shè)計(jì)井下水位模塊、氣體監(jiān)測(cè)模塊、用戶(hù)管理模塊、報(bào)警模塊等多類(lèi)型手機(jī)操作模塊，用戶(hù)可以點(diǎn)開(kāi)任意模塊進(jìn)行井下?tīng)顟B(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)井蓋發(fā)生異常并發(fā)送報(bào)警信息時(shí)，針對(duì)報(bào)警信息類(lèi)型，直接轉(zhuǎn)入出現(xiàn)異常狀態(tài)的井蓋地圖位置，實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航功能。以井蓋傾斜翻動(dòng)為例分析運(yùn)行流程，在井蓋被翻動(dòng)產(chǎn)生傾斜的情況下，加速度傳感器產(chǎn)生外部中斷，喚醒處于休眠狀態(tài)的單片機(jī)，程序進(jìn)入外部中斷的服務(wù)程序，對(duì)傳感器所傳達(dá)的加速度信息進(jìn)行傾角計(jì)算，并與所設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，在超出設(shè)定閾值的情況下喚醒通信模組，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)服務(wù)器形成報(bào)警信息，呈現(xiàn)至管理后臺(tái)。

圖3 手機(jī)端公眾號(hào)智慧井蓋管理界面Fig.3 Smart manhole cover management interface of mobile phone public number

4.4 測(cè)試與調(diào)試分析

該系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試之后，結(jié)果表明各項(xiàng)模塊數(shù)據(jù)穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期效果。系統(tǒng)運(yùn)行情況的測(cè)試方法為：建立維護(hù)端口，配置1臺(tái)專(zhuān)用電腦，安裝中心管理維護(hù)軟件，對(duì)各在線監(jiān)測(cè)基站進(jìn)行監(jiān)控：通過(guò)短信功能，讓技術(shù)人員第一時(shí)間獲得在線儀器的運(yùn)行情況；通過(guò)網(wǎng)上發(fā)布的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，完全實(shí)現(xiàn)及時(shí)、快速的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的目的。關(guān)于設(shè)備的功耗測(cè)試，要求在井下利用鋰電池進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的正常運(yùn)行，對(duì)設(shè)備功耗要求極高，為達(dá)到降低功耗的目的，在程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)加入休眠模式與喚醒模式等工作模式，設(shè)計(jì)中斷裝置，在傳感器接收到異常井下信息時(shí)候觸發(fā)中斷裝置，喚醒通信模塊，使監(jiān)測(cè)終端與信息終端始終處于低能耗運(yùn)行的狀態(tài)。采用萬(wàn)能表對(duì)本系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)備的功耗進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行電能功耗為78 μA符合低能耗運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[10]。對(duì)通信信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)試，需以實(shí)地安裝測(cè)試為標(biāo)準(zhǔn)，由于井蓋材質(zhì)等因素的影響，信號(hào)在傳輸過(guò)程中可能發(fā)生一定程度的衰減，為進(jìn)一步驗(yàn)證井下通信性能，可以采取多個(gè)智慧井蓋終端數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)，由于移動(dòng)信號(hào)基站NB-IOT網(wǎng)絡(luò)部署的影響，在建筑物較多、信號(hào)強(qiáng)度差的區(qū)域，經(jīng)過(guò)井蓋的衰減，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法連接后臺(tái)的情況，針對(duì)這種情況，在該區(qū)域布置了螺旋天線，將其工作頻段與NB-IOT保持一致，實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度增益，效果良好。

該系統(tǒng)平臺(tái)的調(diào)試包括程序代碼調(diào)試與串口調(diào)試。針對(duì)程序代碼調(diào)試，采用J-LINK作為實(shí)際調(diào)試工具，將USB接口轉(zhuǎn)化為SW-DP接口，在PC端利用相關(guān)軟件進(jìn)行程序代碼編寫(xiě)，編寫(xiě)完成會(huì)檢測(cè)運(yùn)行可行性并生成執(zhí)行文件，由調(diào)試工具下載到智慧井蓋的單片機(jī)當(dāng)中，完成對(duì)設(shè)備的調(diào)試。對(duì)于串口調(diào)試來(lái)說(shuō)，主要針對(duì)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的通信穩(wěn)定性進(jìn)行通信模組AT指令調(diào)試，由于在實(shí)際通信過(guò)程中指令交互情況較多且不能出現(xiàn)差錯(cuò)，所以可以采用串口調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)輔助調(diào)試，連接通信模塊與PC端的串口管腳，在PC端模擬單片機(jī)與通信模塊之間的信息交互情況，以保證程序運(yùn)行的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于NB-IOT的智慧井蓋及監(jiān)控平臺(tái)。首先介紹NB-IOT技術(shù)和智慧井蓋，分析NB-IOT技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)，結(jié)合智慧井蓋的功能需求，設(shè)計(jì)出平臺(tái)系統(tǒng)的整體方案，以應(yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層與設(shè)備層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)行。在硬件設(shè)計(jì)方面，主控制器采用STM32F103RBT6芯片，NB-IOT通信模塊采用BC26模組，傳感器包括壓力、氣體、加速度等傳感器，實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)測(cè)功能。在軟件設(shè)計(jì)方面，進(jìn)行監(jiān)控終端、管理系統(tǒng)與手機(jī)終端的軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性、能耗與信號(hào)連接強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，保證系統(tǒng)平臺(tái)的整體運(yùn)行效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市井蓋的智慧智能管理。