彭勇 胡文德 陳俞強 王石 林冠業(yè)

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；低功耗；窄帶物聯(lián)網(wǎng)；無線采集終端

近年來，城鎮(zhèn)化速度加快，我國城市化水平越來越高，舊城改造、新城建設(shè)，城市硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完善，雨水、污水、燃氣、通信、電力等不同的城市地下管線越來越多，窨井數(shù)以千萬計。據(jù)統(tǒng)計，一個中等城市每年新增、更換井蓋十萬個以上，很多井蓋分布在道路周邊、行車道以及人行道中，因為窨井井蓋缺失、管道泄漏導致的安全事故層出不窮，城市地下管線的管理水平跟不上經(jīng)濟社會的發(fā)展水平，通過智能化手段改造現(xiàn)有井蓋，實時獲取井蓋狀態(tài)和井下數(shù)據(jù)，并進行監(jiān)控是對地下管線管理的重要手段，也是可行的做法。有些城市在井蓋采用2.4G無線模塊，在集中區(qū)域安裝無線中繼器，再通過GPRS等方式發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控平臺，但是缺點是功耗比較高，距離遠時靈敏度不高，中繼模塊安裝也不方便。南京郵電大學的一篇碩士論文研究了一款基于WiFi通信的智能井蓋，但是WiFi技術(shù)功耗比較大、終端連接能力比較弱，不適合井蓋這種需要廣域部署的情況。為了解決當下井蓋管理存在的種種問題，將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)井蓋相結(jié)合，設(shè)計出一種井下數(shù)據(jù)無線采集終端，可以檢測井蓋傾角狀態(tài)和井下水位，讓傳統(tǒng)井蓋成為一個固定的信息交互設(shè)備，并使用NB-IoT作為無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)智能井蓋與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的信息傳輸，能對城市井蓋進行大面積監(jiān)測，實現(xiàn)了對城市井蓋的智能化管理。

1整體結(jié)構(gòu)

井下數(shù)據(jù)無線采集終端系統(tǒng)是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)應用，主要包括智能井蓋數(shù)據(jù)終端、第三方物聯(lián)網(wǎng)云平臺、后臺應用服務器開發(fā)、智能井蓋監(jiān)測管理平臺和手機應用端軟件開發(fā)，項目設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1。

智能井蓋數(shù)據(jù)終端可以實時采集井蓋的傾角和井下的水位情況，利用傾角可以判斷井蓋是否被開啟，一般設(shè)定為20°左右即表示井蓋被開啟，井下水位是判斷井壁滲水等故障的重要依據(jù)，每隔30分鐘左右智能井蓋數(shù)據(jù)終端就會自動上報數(shù)據(jù)，當井蓋傾角和井下水位有異常時，會實時通過NB-IoT模塊上報到NB-IoT基站，進而上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺；物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供設(shè)備接入、數(shù)據(jù)解析服務，將設(shè)備上傳的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有意義的JSON格式數(shù)據(jù)，并提供應用側(cè)API供應用服務器訪問；應用服務器主要是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯部分，對從云平臺得到的數(shù)據(jù)進行各種計算，然后存儲到數(shù)據(jù)庫，并通過API發(fā)布數(shù)據(jù)；管理員用戶通過PC端管理平臺來對整個城市的井蓋情況、井下數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、統(tǒng)計、井蓋異常報警處理，井蓋巡檢員可以使用移動客戶端來讀取所負責區(qū)域的所有井蓋情況以及井下數(shù)據(jù)，并及時接收警報信息，對井蓋及井下異常數(shù)據(jù)進行處理。

2硬件設(shè)計

智能井蓋數(shù)據(jù)終端的硬件主要包括5個部分，分別是：主控模塊、NB-IoT通信模塊、傳感器模塊、藍牙模塊和電源模塊，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控芯片我們選用一枚超低功耗設(shè)備的STM32L15IC8T6，低功耗睡眠狀態(tài)電流只有5.1μA，數(shù)據(jù)終端在開機后會進行初始化，讀取藍牙模塊配置的基本信息，并完成NB-IoT模塊附著網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT模塊一段時間沒有發(fā)送數(shù)據(jù)就會自動進入PSM（Power Saving Mode，省電）模式。主控STM32芯片在完成初始化后會進入待機模式，直到被時鐘喚醒，當定期采集數(shù)據(jù)的時間到來時，主控芯片會退出待機模式，并采集井蓋的傾角和井下水位等數(shù)據(jù)，并發(fā)送給NB-IoT模塊，STM32主控芯片隨即進入待機模式，NB-IoT模塊在收到數(shù)據(jù)后，則退出省電模式，把數(shù)據(jù)發(fā)送到NB-IoT基站，通過NB-IoT基站，數(shù)據(jù)最終傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，發(fā)送完所有數(shù)據(jù)后，NB-IoT模塊再次進入休眠模式。

2.1 主控模塊

智能井蓋數(shù)據(jù)終端中最為核心的模塊就是主控制器，根據(jù)智能井蓋數(shù)據(jù)終端設(shè)備所需要的低功耗、高數(shù)據(jù)傳輸率、穩(wěn)定可靠、性價比高等特性，我們選擇STM32L152R8T6作為主控制器，具有超低功耗、全面節(jié)能模式，能夠滿足系統(tǒng)的超低功耗要求；提供各種增強的I/O和外圍設(shè)備連接到兩個APB總線，一個12位ADC，2個DAC，六個通用16位定時器和兩個基本定時器，兩個ⅡC和SPI，三個USART和一個USB，能滿足系統(tǒng)外部傳感器種類繁多，所需接口較多的要求；能夠在一40～85℃的溫度范圍內(nèi)可用，在低功耗狀態(tài)下擴展至105℃，可以滿足在惡劣的井內(nèi)環(huán)境中正常工作的需求。主控模塊一般情況下處于休眠狀態(tài)，當采集數(shù)據(jù)間隔時間到來或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常預警信息時，會喚醒模塊執(zhí)行相應的程序，讀取各傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送到NB-IoT模塊。如圖3所示，PA4、PA7、PA11作為外部模塊上電接口，控制外部模塊電路的通電；通過PB6、PB7、PC9這組ⅡC接口與傾角監(jiān)測模塊連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和中斷處理，通過PB8、PB9、PA5、PA8這組ⅡC接口與液位檢測的激光測距傳感器進行數(shù)據(jù)交換以及中斷處理；通過PA2和PA3這組URAT接口與NB-IoT通信模塊進行數(shù)據(jù)交換，可以完成將采集的數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺以及接受云平臺下發(fā)的指令；通過PA9和PAIO接口與藍牙模塊進行串行通信，通過PC10、PC11、PC12實現(xiàn)藍牙模塊的片選、配對和狀態(tài)指示。

2.2通信模塊

NB-IoT無線通信模塊采用BC26模組，具有極低功耗，最低電流功耗為3.5μA，發(fā)射功率為23dBm±2dB，能夠非常方便地連接中國移動、中國電信、華為等大型運營商的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以在連接狀態(tài)、空閑狀態(tài)和省電狀態(tài)下工作，連接狀態(tài)下模塊的所有功能都可以正常運行，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，但是耗電量略大；空閑狀態(tài)下，模塊處于輕休眠模式，網(wǎng)絡(luò)處于DRX/eDRX狀態(tài)，尋呼窗口內(nèi)可接收尋呼；省電狀態(tài)下，模塊處于深睡眠模式，CPU掉電，內(nèi)部只有RTC工作，處于極低功耗。BC26模塊硬件電路如圖4所示，BC26模塊的TXD引腳用來發(fā)送數(shù)據(jù)給STM32，連接到STM32引腳的PA2，BC26模塊的TXD引腳用來接收AT指令，可以對模塊進行設(shè)置，連接到STM32引腳的PA3。

2.3傳感器模塊硬件設(shè)計

2.3.1傾角檢測模塊

根據(jù)采集到的井蓋三個方向的偏轉(zhuǎn)角可以計算井蓋是否發(fā)生傾斜或移動，考慮到功耗、精度、價格等方面的影響因素，選取了ADXL345三軸加速度傳感器作為傾角傳感器，其具有靈敏度高、功耗低的優(yōu)點，能測量不到1.0°的傾斜角度變化，測量模式下只有40～145μA的電流，待機模式只有0．1μA，支持SPI和IIC兩種通信方式，我們采用的是IIC方式連接，加速度傳感器外圍電路如圖5所示。

2.3.2水位檢測模塊

城市窨井往往會因為雨水過多、管道阻塞等原因?qū)е戮畠?nèi)有積水，當積水過多時會對井內(nèi)各種設(shè)施以及線路造成腐蝕、傳輸中斷、數(shù)據(jù)丟失、觸電等多種影響，所以需要對井下的水位進行監(jiān)控?？紤]到測量距離、井下環(huán)境、測量精度和功耗等因素，選用VL531L1X激光測距傳感器來檢測水位，能提供精確的距離測量，可以測量4m的絕對距離。VL53LIX采用ⅡC接口與STM32相連，GPIOI引腳與STM32的PA5相連發(fā)送中斷信號，SCL時鐘信號連接STM32的PB8，SDA與STM32的PB9相連實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，XSHUT引腳與STM32的PA8相連實現(xiàn)VL53LIX模式的控制。具體電路圖如圖6所示。

2.4藍牙模塊設(shè)計

智能井蓋數(shù)據(jù)終端在第一次使用前需要進行初始化配置，井蓋施工現(xiàn)場一般情況都是由手機客戶端通過藍牙連接到智能井蓋，就可以配置服務器的IP地址、端口號、井蓋編號、井蓋位置經(jīng)緯度（由手機客戶端獲取）等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在日常巡檢中也可以通過藍牙連接修改或讀取井蓋的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及井下傳感器數(shù)據(jù)。藍牙通信模塊采用HC-06模組，最大發(fā)射功率為4dBm，最大通信距離為10m，支持AT指令，方便靈活。HC-06模組采用串口與STM32通信，HC-06模組的RX引腳與STM32的PAIO連接，接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)，TX引腳發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32的PA9，HC-06模組的PIOII連接STM32的PC10，實現(xiàn)對藍牙模塊的片選，HC-06模組的PI09連接STM32的PC11，實現(xiàn)上位機和藍牙模塊的配對。具體電路圖如圖7所示。

3軟件設(shè)計

井蓋智能終端軟件設(shè)計部分主要有主程序、傳感器模塊程序、NB-IoT通信模塊程序、藍牙模塊配置程序。其中主程序主要是負責調(diào)用各模塊程序，實現(xiàn)整個系統(tǒng)正常運行，與物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互以及數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，傳感器模塊程序主要負責采集各種傳感器收集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的格式化并提交給主程序，NB-IoT通信模塊程序負責初始化通信模塊，與NB-IoT基站建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)給物聯(lián)網(wǎng)云平臺，并接受上位機下發(fā)的各種指令，藍牙模塊配置程序?qū)崿F(xiàn)了智能終端各種初始數(shù)據(jù)的配置以及巡檢過程中修改配置及讀取數(shù)據(jù)，見圖8。

3.1智能井蓋數(shù)據(jù)終端主程序設(shè)計

系統(tǒng)通電后，完成系統(tǒng)的初始化，完成串口、定時器、各種IO接口的初始配置，然后通過藍牙方式或者從FLASH中讀取井蓋的基本配置信息（IP地址、端口號、井蓋編號、井蓋位置經(jīng)緯度等），接下來加載通信模塊和傳感器模塊，主控制器進入休眠待機模式并關(guān)閉通信模塊。當采集時間間隔到來或有預警中斷信號時，主控制器會被喚醒讀取傳感器數(shù)據(jù)并通知通信模塊發(fā)送信息。

3.2傳感器模塊程序

傳感器模塊程序可以采集傾角檢測模塊、液位檢測模塊的數(shù)據(jù)，對于傾角檢測模塊，程序讀取到的是三軸加速度分量，然后解算出三軸姿態(tài)角，計算出傾角；對于液位檢測模塊，接收到測量數(shù)據(jù)后還需要進行解算，最終得到液面到井蓋的距離。液位檢測模塊的傳感器盡管在出廠時已經(jīng)做了校準，但是由于實際應用會加蓋保護以及焊接等因素的干擾，會造成細微誤差，所以一般在整個終端產(chǎn)品應用前還會再次做相關(guān)校準，見圖9。

3.3NB-IoT模塊程序

NB-IoT模塊程序負責完成初始化BC26模塊配置與數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸前還需要進行附網(wǎng)的一系列操作，主控制器與NB-IoT通信模塊之間采用AT指令進行通信，見圖10。

3.4藍牙模塊程序

藍牙模塊主要是方便現(xiàn)場與數(shù)據(jù)終端之間的近距離通信，數(shù)據(jù)終端第一次安裝時需要進行初始化配置，主要包括經(jīng)緯度、設(shè)備編號等，在井蓋維護時，也能通過藍牙模塊讀取部分實時數(shù)據(jù)以便檢修，見圖11

4系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

4.1硬件電路測試

在研發(fā)過程中對于整個系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)上傳、下載及入網(wǎng)情況等進行了測試。測試結(jié)果如表1所示。

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)初始化100%正常，NB-IoT入網(wǎng)和信息上傳成功率98.8%，主要是由于高大建筑物遮擋等造成極少次數(shù)失敗，通過重傳即可解決這個問題，藍牙數(shù)據(jù)傳輸失敗率在1%，也是由于井下環(huán)境較為惡劣，產(chǎn)生的極少的失敗，通過重新連接即可解決，整個系統(tǒng)各個模塊運行穩(wěn)定。

4.2設(shè)備功耗測試

智能井蓋數(shù)據(jù)終端安裝在窨井，一般情況下沒有外接電源，要求數(shù)據(jù)終端依靠電池就能長期運行，因此對終端功耗提出很高的要求。在程序設(shè)計上，主控模塊大部分時間停機，只有采集時間到來或者數(shù)據(jù)異常發(fā)出，終端才會被喚醒，NB-IoT模塊一直處于PSM低功耗模式，等到主控模塊需要其發(fā)送數(shù)據(jù)時才被喚醒。終端設(shè)備低功耗運行時電流功耗僅為10.216μA，初步推算，采集周期是30min情況下，5400mAh內(nèi)部電池可使用約1217天，供電時間超過3年，設(shè)備功能測試見表2。

4.3傾角檢測模塊測試

為了更加直觀地得到最終傾斜角度，將終端設(shè)備放置在平板上，平板的一角緩緩下壓或抬起，來模擬設(shè)備在各種傾斜角度下的傾角采集，通過最終設(shè)備上傳的角度值與實際角度值的對比可得出該模塊是否能夠滿足于正常應用。具體實際角度值和測量值如表3所示。

實驗分為九組數(shù)據(jù)進行測量，其中四組處于非報警狀態(tài)的測量，五組處于報警狀態(tài)的測量，根據(jù)表3數(shù)據(jù)的對比可知，該設(shè)備在這兩種狀態(tài)下均能夠?qū)崿F(xiàn)對傾角值的監(jiān)測，并且角度越小測量越精準，精度為±0.2°，基本能夠滿足應用要求。

4.4液位檢測模塊測試

為了測量井下水位，將智能井蓋數(shù)據(jù)終端放置于一個水盆上方，然后開啟終端，記錄水位數(shù)據(jù)，再往水盆添水，隨著水位升高，不斷記錄水位數(shù)據(jù)，最終得出實際距離值和測量距離值如表4所示。

此種實驗模式由于實際距離的測量方式和設(shè)備本身存在誤差，液位測量值與實際值稍有不同，但通過七組實驗的數(shù)據(jù)對比可知，誤差基本保持在±2mm以內(nèi)，誤差值均在允許的范圍內(nèi)。因此該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)終端設(shè)備的液位高度測量，基本滿足系統(tǒng)需求。

5成本分析和技術(shù)方案對比

目前常見的智能井蓋方案主要有基于GPRS技術(shù)和基于NB-IoT技術(shù)兩種，具體方案對比如表5所示。

從表5可以看出，基于NB-IoT的智能井蓋方案從數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)覆蓋及功耗等各方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的GPRS技術(shù)方案。

根據(jù)已經(jīng)實現(xiàn)的原型系統(tǒng)（圖12）的測算，基于NB-IoT的井蓋系統(tǒng)具有較低的建設(shè)成本和運行成本，具體成本分析見表6。

從表6看出，基于NB-IoT的成本低，其中包括建設(shè)成本、運行成本和年均成本等，具有更好的市場前景。

6結(jié)論

針對城市普遍存在的井蓋發(fā)生位移、傾斜、松動、溢水、損壞、被盜等現(xiàn)象，根據(jù)智慧井蓋數(shù)據(jù)采集終端低功耗、低成本、穩(wěn)定性高的設(shè)計理念，完成了基于SMT32單片機+NB26無線通信模塊的終端平臺的搭建，實現(xiàn)對井蓋的身份標識、對井蓋統(tǒng)一歸檔管理，以及實現(xiàn)對井蓋的狀態(tài)監(jiān)控、實時報警、自動巡檢、及時處置等功能，保障安全運行。在未來井蓋監(jiān)測這一智慧城市關(guān)鍵應用中，可以在已經(jīng)實現(xiàn)的智能井蓋數(shù)據(jù)終端的基礎(chǔ)上，添加氣體傳感器、電導率傳感器等其他傳感器，以適應污水井、燃氣井、雨水井等各類窨井的特殊需求，豐富井蓋終端的功能，還可以進一步考慮分析數(shù)據(jù)的綜合與利用，進一步提高市政管理的信息化、智能化水平，為智慧城市奠定行業(yè)應用基礎(chǔ)。