閆啟帆

太原工業(yè)學(xué)院，中國(guó)·山西 太原 030000

1 緒論

1.1 課題意義與背景

隨著中國(guó)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(cè)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(cè)井蓋狀態(tài)并將其數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)管，將成為智慧城市中一個(gè)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(wú)線通信技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)為數(shù)據(jù)傳輸范圍廣、功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)和制造成本低廉，適用于城市井蓋數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上傳的通信方式。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?；谠破脚_(tái)的井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有三部分構(gòu)成，即監(jiān)測(cè)終端、無(wú)線通信模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

監(jiān)測(cè)終端安裝于井蓋下，基于STM32微處理器連接無(wú)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?xì)怏w濃度、水位超位數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

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

狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端主控模塊選擇STM32微處理器，協(xié)調(diào)完成各個(gè)模塊的工作，實(shí)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(dòng)通信BC26模塊作為NB-IoT無(wú)線通信模塊。

2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控云平臺(tái)設(shè)計(jì)

OneNET云平臺(tái)是中國(guó)移動(dòng)推出的開(kāi)放物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。作為一種PaaS模式云平臺(tái)，自帶的開(kāi)發(fā)者控制界面簡(jiǎn)介，在其上開(kāi)發(fā)者能簡(jiǎn)單快捷的完成設(shè)備的注冊(cè)與接入[2]。OneNET云平臺(tái)作為支持多種物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議供開(kāi)發(fā)者使用。OneNET多種協(xié)議接入方式，開(kāi)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(kāi)發(fā)的無(wú)線接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。主要是面向低速率、低功耗、長(zhǎng)距離和多終端需求的LPWAN市場(chǎng)。構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)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(shì)：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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

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

3.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)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(cè)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(cè)井窯內(nèi)可燃?xì)怏w濃度狀態(tài)；紅外避障傳感器監(jiān)測(cè)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(jì)

姿態(tài)傳感器選用MPU6050六軸傳感器模塊。通過(guò)該芯片可以監(jiān)測(cè)井蓋自身的移動(dòng)狀態(tài)。煙霧傳感器選擇MQ-2傳感器檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度，通過(guò)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(duì)天然氣和眾多可燃蒸汽的檢測(cè)靈敏度較高，檢測(cè)數(shù)值準(zhǔn)確。紅外避障傳感器E18-D80NK對(duì)水位是否超位進(jìn)行檢測(cè)，利用紅外光的反射原理計(jì)算出障礙物與的傳感器自身的距離。

3.4 無(wú)線通信模塊選擇

用于物聯(lián)網(wǎng)的主流無(wú)線通信技術(shù)主要有Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)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(duì)比見(jiàn)表1。

表1 通信芯片對(duì)比

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

4 軟件設(shè)計(jì)和云平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)終端選擇以C語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Keil5和STM32 CubeMX為編譯軟件。

4.2 傳感器和無(wú)線通信模塊程序設(shè)計(jì)

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(gè)。姿態(tài)傳感器通過(guò)IIC通信與STM32主控模塊連接，其他兩個(gè)傳感器以u(píng)sart串口通信與STM32主控模塊連接。

無(wú)線通信模塊基于BC26進(jìn)行程序編寫(xiě)。主控模塊使用AT指令通過(guò)串口完成數(shù)據(jù)交互，達(dá)到上云服務(wù)器的目的。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(kāi)發(fā)服務(wù)。

5 系統(tǒng)功能測(cè)試

5.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境以及正常工作狀態(tài)

最終監(jiān)測(cè)終端工作狀態(tài)下實(shí)物如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)終端實(shí)物

5.2 結(jié)果分析

通過(guò)模擬環(huán)境測(cè)試，對(duì)各傳感器分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示正常，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，反應(yīng)靈敏，系統(tǒng)具有很高的可靠性。測(cè)試出的數(shù)據(jù)與實(shí)際誤差較小，確保了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。監(jiān)測(cè)終端設(shè)備與云平臺(tái)之間信息傳輸延遲較小，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。

6 結(jié)語(yǔ)

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

①通過(guò)對(duì)比多種無(wú)線通信技術(shù)、多家公司運(yùn)營(yíng)商的云平臺(tái)以及通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)比對(duì)挑選以STM32L151RCT6為主控芯片，BC26芯片為NB-IoT通信模塊，OneNET云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

②通過(guò)MPU6059傳感器能夠監(jiān)測(cè)井蓋的傾斜角度；通過(guò)MQ-2煙霧傳感器監(jiān)測(cè)井窯燃?xì)夤芫€是否有泄漏的情況，通過(guò)E18-D80NK紅外避障傳感器通過(guò)紅外線反射的原理實(shí)現(xiàn)水位超位監(jiān)測(cè)。

③設(shè)計(jì)無(wú)線通信模塊，編寫(xiě)各模塊的程序設(shè)計(jì)，將收集的環(huán)境數(shù)據(jù)信息通過(guò)NB-IoT無(wú)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(tái)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云平臺(tái)，將采集到的數(shù)據(jù)信息上傳至中國(guó)移動(dòng)的OneNET云平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了在Web端以清晰簡(jiǎn)潔的界面查看數(shù)據(jù)信息。