吳 堅(jiān)，駱江波

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

隨著中國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)也得到了持續(xù)快速的發(fā)展。城市中給水、排水、燃?xì)?、熱力、電力和通信等各類市政公用設(shè)施日益增加，城市路面的各類管線設(shè)施的井蓋也相應(yīng)地不斷增多[1]。全國(guó)特大型城市各類井蓋總數(shù)量均在100萬(wàn)個(gè)以上，大型城市在80萬(wàn)個(gè)以上，中型城市在50萬(wàn)個(gè)以上[2]。近年來(lái)，由于城市中井蓋管理不善，造成全國(guó)范圍內(nèi)各類傷人、損車事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響了市民的出行安全，造成不良的社會(huì)影響[3]。

針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外一些高校和研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了相應(yīng)的研究并提出了解決方案，以對(duì)井蓋實(shí)施有效管理。有研究者提出用傳感器檢測(cè)井蓋的破裂[4]、位移[5-6]、傾角[7]、光照強(qiáng)度[8]，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)匯總至GPRS網(wǎng)關(guān)[9-10]，然后上傳至服務(wù)器[11-12]。也有研究者提出，將監(jiān)測(cè)到的物理量通過(guò)433 Mbit無(wú)線網(wǎng)匯總至GPRS網(wǎng)關(guān)，再上傳至服務(wù)器[13]。這些解決方案都能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)井蓋狀態(tài)，但是大都以自組網(wǎng)加GPRS網(wǎng)關(guān)的兩跳方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其網(wǎng)絡(luò)部署需要考慮較多因素，后期網(wǎng)絡(luò)需要持續(xù)維護(hù)，傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)需要使用路由中繼。

為了避免以上方案存在的問(wèn)題，筆者提出將窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrowband internet of things,NB -IoT)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)被動(dòng)式井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))。同時(shí)采用被動(dòng)觸發(fā)和休眠相結(jié)合的設(shè)計(jì)，以降低檢測(cè)終端功耗，加長(zhǎng)檢測(cè)終端使用年限。

1 NB -IoT技術(shù)

NB -IoT是一種符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的新型無(wú)線接入技術(shù)，能為物聯(lián)網(wǎng)提供廣域覆蓋。NB -IoT使用License頻段，在上行和下行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，最小只消耗180 kHz的系統(tǒng)帶寬[14]，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)[15]。NB -IoT具有以下特點(diǎn)。

1)深度覆蓋。在相同的頻段下，NB -IoT網(wǎng)絡(luò)比3G、4G等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度增益20 dB左右，覆蓋面積擴(kuò)大100倍。這使得在地下車庫(kù)、地下室、地下管道等手機(jī)信號(hào)難以到達(dá)的地方，NB -IoT信號(hào)也可以覆蓋。

2)海量連接。NB -IoT的一個(gè)扇區(qū)能夠支持多達(dá)10萬(wàn)個(gè)連接，城區(qū)每平方千米可接入終端30萬(wàn)個(gè)[16]。

3)傳輸速率和功耗低。NB -IoT射頻帶寬為180 kHz，上行下行峰值速率不大于250 Kbit/s[17]，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。

4)穩(wěn)定可靠。NB -IoT使用全球授權(quán)頻段，傳輸網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)而來(lái)，安全可靠。

5)終端部署優(yōu)勢(shì)明顯。NB -IoT終端所采集的數(shù)據(jù)可直接通過(guò)基站上傳云端，相比于Zigbee、Lora、藍(lán)牙等無(wú)線傳輸技術(shù)，省去了組網(wǎng)步驟和網(wǎng)關(guān)，使得終端部署更加靈活，垂直應(yīng)用更加方便。

6)成本低。相比于其他無(wú)線技術(shù)，NB -IoT技術(shù)低功耗低速率的特性使其芯片需要更小的緩存、更低的RF設(shè)計(jì)要求、更小的體積，這些技術(shù)指標(biāo)的降低決定了NB -IoT芯片成本能夠更低[18]。

NB -IoT技術(shù)主要面向低成本、低功耗、低速率和廣覆蓋的應(yīng)用場(chǎng)景[7]，如遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)、智慧物流、市政管理、智能電網(wǎng)和智能樓宇等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由包含電子器件的井蓋檢測(cè)終端、NB通信基站、核心網(wǎng)、服務(wù)器和用戶組成。檢測(cè)終端通過(guò)NB -IoT模組與附近基站通信，數(shù)據(jù)經(jīng)由核心網(wǎng)傳輸至服務(wù)器，運(yùn)行在服務(wù)器上的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)處理后產(chǎn)生報(bào)表和報(bào)警信息，發(fā)送至維修人員的移動(dòng)終端，管理人員也可以在管理平臺(tái)上查看所有井蓋的狀態(tài)。井蓋檢測(cè)終端處理器平時(shí)處于休眠狀態(tài)，傳感器和通信模組處于掉電狀態(tài)，以達(dá)到省電的目的。處理器以6 h的周期自動(dòng)喚醒，給傳感器和通信模組上電，采集井蓋姿態(tài)、自身的電量，然后將數(shù)據(jù)與井蓋編號(hào)等固定信息融合后上傳給服務(wù)器。在通信時(shí)，服務(wù)器可以發(fā)送指令給終端，修改其喚醒周期。當(dāng)外界使井蓋發(fā)生傾斜時(shí)，檢測(cè)終端內(nèi)的傾角開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生信號(hào)喚醒處理器，處理器被喚醒后，控制電源芯片給三軸加速度傳感器和通信模組供電，讀取井蓋的姿態(tài)。終端將信息發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器應(yīng)用程序產(chǎn)生報(bào)警信息，通知相關(guān)人員及時(shí)檢修。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖2 檢測(cè)終端硬件組成Fig.2 Composition of detecting terminal hardware

檢測(cè)終端硬件組成如圖2所示，由NB -IoT模組、CPU、三軸加速度傳感器、傾角開(kāi)關(guān)、電源控制芯片和電池組成。

NB -IoT通信模組采用華為海思的BC95模塊，該模塊支持NB -IoT通信標(biāo)準(zhǔn)，硬件通信接口為UART,使用AT命令控制，休眠功耗低至5 μA，內(nèi)嵌UDP和CoAP協(xié)議，是目前NB -IoT通信的理想選擇。BC95在使用時(shí)有PSM、Idle、Active 3種模式，最大工作電流分別是5 μA、6 mA、300 mA。終端選用18650鋰電池作為電源。電源控制使用雙路供電的設(shè)計(jì)，采用開(kāi)關(guān)電源芯片TPS62120為CPU和被動(dòng)觸發(fā)電路供電，用開(kāi)關(guān)電源芯片TPS82150為BC95模組和加速度傳感器供電，平時(shí)開(kāi)關(guān)電源芯片TPS82150處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)需要采集井蓋姿態(tài)并上報(bào)時(shí)，CPU控制開(kāi)關(guān)電源芯片打開(kāi)，給BC95模組和傳感器供電。

CPU采用STM32L053C8T6芯片，該芯片帶有64 KB Flash、8 KB RAM、2 KB EEPROM,12 bit精度的ADC接口和2個(gè)串口，并且支持8種低功耗模式。

被動(dòng)觸發(fā)設(shè)計(jì)使用了4個(gè)單向傾角開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)井蓋在x、y、-x、-y4個(gè)方向的傾斜。當(dāng)井蓋被撬起以后，x、y、-x、-y中1個(gè)或2個(gè)方向的傾角開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生上升沿或者下降沿信號(hào)，喚醒CPU，終端開(kāi)始采集井蓋姿態(tài)并上報(bào)。

姿態(tài)采集傳感器采用三軸加速度傳感器ADXL345，三軸加速度傳感器可以檢測(cè)重力加速度在芯片x、y、z3個(gè)方向的分量，因此可以用來(lái)測(cè)量井蓋的傾斜角度。傳感器通過(guò)四線式SPI接口與CPU進(jìn)行通信。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件流程

檢測(cè)終端的軟件使用前后臺(tái)系統(tǒng)，每個(gè)任務(wù)按順序執(zhí)行，其流程如圖3所示。

圖3 終端軟件流程圖Fig.3 Terminal software flowchart

2.2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議是檢測(cè)終端與平臺(tái)通信時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)包格式的約定，只有按照約定的格式上報(bào)和解析，才能正常完成上報(bào)和下發(fā)。通信協(xié)議設(shè)計(jì)如表1～2所示。

表1 上報(bào)協(xié)議Table 1 Agreement of updating

表2 下發(fā)協(xié)議Table 2 Agreement of issuing

2.2.3 姿態(tài)解算

圖4 重力加速度分解Fig.4 Decomposition of gravitational acceleration

三軸加速度傳感器可以檢測(cè)x、y、z3個(gè)軸方向上的加速度，當(dāng)傳感器靜止處于傾斜狀態(tài)時(shí)，其x、y、z軸與重力加速度方向形成的夾角分別為θ、α、β，重力加速度在x、y、z軸方向上的分量分別為gx、gy、gz，而gx、gy、gz可由三軸加速度傳感器測(cè)得。通過(guò)重力加速度分解(圖4)，可知gy=gcosα，從而α=arccos(gy/g)，同理可得θ=arccos(gx/g)，β=arccos(gz/g)。

2.3 系統(tǒng)容錯(cuò)策略設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)主要考慮外部環(huán)境的不確定性。導(dǎo)致系統(tǒng)不正常工作的因素可能來(lái)自傾斜的路面、過(guò)往車輛、作業(yè)、元件失效和雷電等。因此，系統(tǒng)容錯(cuò)策略主要針對(duì)以下幾種情況。

2.3.1 安裝誤報(bào)

由于終端會(huì)被安裝在井蓋背面，所以安裝時(shí)會(huì)先給終端上電，然后才安裝。為了避免安裝時(shí)由于翻轉(zhuǎn)井蓋導(dǎo)致終端誤報(bào)信息，所以軟件上采用注冊(cè)機(jī)制，終端上電后會(huì)向平臺(tái)請(qǐng)求注冊(cè)，注冊(cè)完畢后才開(kāi)啟被動(dòng)觸發(fā)功能。

2.3.2 作業(yè)誤報(bào)

很多時(shí)候需要翻開(kāi)井蓋進(jìn)行作業(yè)，為了避免此類情況造成的誤報(bào)，在作業(yè)前，需要由平臺(tái)下發(fā)指令給終端，使指定的井蓋關(guān)閉被動(dòng)觸發(fā)的功能，待平臺(tái)確認(rèn)作業(yè)完畢后，下發(fā)控制指令使終端開(kāi)啟被動(dòng)觸發(fā)功能。

2.3.3 觸發(fā)失效

傾角開(kāi)關(guān)可能因?yàn)橘|(zhì)量或工藝等原因不能產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，而通過(guò)使用三軸加速度傳感器，可以得知井蓋當(dāng)前姿態(tài)。因此，平臺(tái)通過(guò)比較井蓋當(dāng)前姿態(tài)和初始姿態(tài)，得知井蓋是否塌陷傾斜。

2.3.4 抖動(dòng)誤報(bào)

在實(shí)際應(yīng)用中，大部分安裝井蓋的路面傾斜程度都不同。這樣帶來(lái)的問(wèn)題是，當(dāng)路面傾斜度接近傾角開(kāi)關(guān)的動(dòng)作角時(shí)，微小的抖動(dòng)便能使傾角開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生誤報(bào)。為解決此類問(wèn)題，傾角開(kāi)關(guān)需要選擇合適的靈敏度。井蓋的安裝根據(jù)城市道路檢查井蓋技術(shù)規(guī)范，如圖5所示。圖6為井蓋翹起后的示意圖，其中A為井座支承面至頂面的的高度，D為井蓋直徑，ω為井蓋被撬起時(shí)的傾角。

圖5 井蓋安裝Fig.5 Installation of manhole cover

圖6 井蓋翹起示意圖Fig.6 Diagram of manhole cover prying up

由圖5～6可知，

ω=arcsin(A/D)。

假設(shè)井蓋對(duì)路面的容忍傾斜角度為γ，考慮到路面有傾斜，那么傾角開(kāi)關(guān)的動(dòng)作角ψ至少為:

ψ=ω+γ。

同理，對(duì)方形井蓋也應(yīng)該選擇同樣動(dòng)作角的傾角開(kāi)關(guān)。

2.3.5 終端損壞

在戶外環(huán)境下，由于高溫、低溫、雷電等因素均可能導(dǎo)致終端不工作，為了讓管理平臺(tái)掌握終端是否正常工作，終端需要周期性主動(dòng)向平臺(tái)上報(bào)井蓋狀態(tài)。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

使用動(dòng)作角為10°的傾角開(kāi)關(guān)，電腦運(yùn)行UDP服務(wù)器并做好端口映射，等待檢測(cè)終端連接上報(bào)。BC95預(yù)先配置南向地址和PLMN(公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))，使用自動(dòng)找網(wǎng)方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。將檢測(cè)終端靜止放置，待其進(jìn)入休眠后，慢慢傾斜終端，通過(guò)串口打印信息觀察終端是否被喚醒，并記錄終端被喚醒時(shí)的傾角。通過(guò)串口打印信息記錄終端的喚醒時(shí)間點(diǎn)、連上服務(wù)器的時(shí)間點(diǎn)、上報(bào)信息的時(shí)間點(diǎn)和下發(fā)數(shù)據(jù)到達(dá)終端的時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)UDP服務(wù)器記錄數(shù)據(jù)下發(fā)的時(shí)間點(diǎn)、上報(bào)數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)。聯(lián)網(wǎng)過(guò)程和上報(bào)過(guò)程如圖7～8所示。

最后整理各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖7 聯(lián)網(wǎng)過(guò)程Fig.7 Networking process

圖8 上報(bào)過(guò)程Fig.8 Updating process

數(shù)據(jù)編號(hào)實(shí)際喚醒角度/(°)信號(hào)強(qiáng)度/dB信噪比/dB從喚醒到連上服務(wù)器耗時(shí)/s數(shù)據(jù)上報(bào)耗時(shí)/ms數(shù)據(jù)下發(fā)耗時(shí)/ms110-54.425.33376778529-53.325.634752769310-54.324.233764782410-56.724.432798817510-56.722.435795814611-55.522.835779798710-56.425.23479581489-54.923.335771790均值9.875-55.27524.1533.875777.625796.125

從表3中可以得出，測(cè)試環(huán)境NB網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度均值為-55.275 dB，信噪比均值為24.15 dB。8組實(shí)驗(yàn)中，終端被喚醒時(shí)的傾角均值為9.875°；終端聯(lián)網(wǎng)過(guò)程較慢，平均需要33.875 s；對(duì)于24 B的上報(bào)數(shù)據(jù)和7 B的下發(fā)數(shù)據(jù)，傳輸用時(shí)均值分別為777.625 ms和796.125 ms。

4 結(jié) 論

筆者運(yùn)用NB -IoT技術(shù)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)被動(dòng)式井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地響應(yīng)井蓋的傾斜產(chǎn)生報(bào)警事件，較穩(wěn)定快速地聯(lián)網(wǎng)和傳輸數(shù)據(jù)至服務(wù)器，并通過(guò)被動(dòng)觸發(fā)和終端休眠相結(jié)合的設(shè)計(jì)，解決了NB -IoT在智能井蓋應(yīng)用中實(shí)時(shí)要求和省電要求相沖突的難題，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)井蓋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化。

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