楊曉明

摘 要：文中介紹了基于NB-IoT信號(hào)傳輸技術(shù)的地震臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過多種類型的傳感器組及電子門鎖，實(shí)時(shí)監(jiān)測臺(tái)站運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)信息。同時(shí)，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至運(yùn)行監(jiān)控云平臺(tái)。文中對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)、平臺(tái)軟件功能等進(jìn)行了介紹，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、無人值守、異常報(bào)警等特點(diǎn)，進(jìn)行了將NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用于地震臺(tái)站監(jiān)測的嘗試。

關(guān)鍵詞：地震監(jiān)測臺(tái)站;NB-IoT模組;實(shí)時(shí)監(jiān)控;異常報(bào)警;MCU控制電路;STM32

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

地震監(jiān)測臺(tái)站是擁有一種或多種地震和地震前兆監(jiān)測手段，專門從事地震監(jiān)測的站點(diǎn)，是國家地震監(jiān)測網(wǎng)的重要組成部分。隨著中國地震局“十二五”規(guī)劃順利實(shí)施，地震監(jiān)測臺(tái)站信息化改造初步完成，全國無人值守的地震臺(tái)站數(shù)量大幅增加，地震監(jiān)測能力不斷提升，但是也帶來了無人值守站點(diǎn)的監(jiān)控難、故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、運(yùn)維人力成本高等問題[1]。

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)逐漸在地震監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)《防災(zāi)減災(zāi)“十三五”專項(xiàng)規(guī)劃—地震信息化規(guī)劃》中提出的“智慧地震”發(fā)展戰(zhàn)略[2]，我們嘗試將基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)運(yùn)用到地震臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)中，開展網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化、協(xié)同化的業(yè)務(wù)發(fā)展新型式。本文介紹了基于NB-IoT技術(shù)的地震臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)方案，為地震監(jiān)測智能化、信息化發(fā)展提供服務(wù)及技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)方案及功能

系統(tǒng)通過前端傳感器組、終端設(shè)備等獲取地震臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息后，利用NB-IoT通信模組將數(shù)據(jù)發(fā)送至地震臺(tái)站運(yùn)行監(jiān)控云平臺(tái)及手機(jī)APP客戶端。地震監(jiān)測中心管理員可通過監(jiān)控云平臺(tái)實(shí)時(shí)了解臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)信息，當(dāng)臺(tái)站出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)在平臺(tái)端、手機(jī)端進(jìn)行報(bào)警、消息推送，管理員可針對(duì)異常站點(diǎn)、故障設(shè)備信息給臺(tái)站維護(hù)人員下派工單進(jìn)行檢修。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的感知層中包含電子門鎖、水浸傳感器、溫濕度傳感器、振動(dòng)傳感器、傾斜傳感器、電壓監(jiān)控模塊等傳感器組，可實(shí)時(shí)監(jiān)測地震監(jiān)測臺(tái)站的運(yùn)行狀態(tài)，并通過NB-IoT模組將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控云平臺(tái)。當(dāng)出現(xiàn)非法開門、供電異常、水浸、傾斜等異常狀態(tài)時(shí)，可通過平臺(tái)報(bào)警、手機(jī)APP推送異常信息等方式通知監(jiān)控中心管理人員關(guān)注，及時(shí)安排維修人員進(jìn)行站點(diǎn)檢修、維護(hù)。同時(shí)，系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程控制監(jiān)測站點(diǎn)電子門鎖開關(guān)功能，提高站點(diǎn)安全性。該系統(tǒng)主要定位于為城市地震臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)提供監(jiān)控服務(wù)，同時(shí)具有多場景擴(kuò)展性，可廣泛應(yīng)用于運(yùn)營商、電力部門等室內(nèi)外箱體運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主控電路、NB模組通信電路、電源電路、電子門鎖控制電路等，完成對(duì)地震臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)中電子門鎖狀態(tài)、溫濕度、傾斜、震動(dòng)、供電方式及電壓等信息的采集與傳輸。

2.1 主控電路

主控電路連接電子門鎖控制電路、前端傳感器、NB-IoT通信模組、電源電路等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。系統(tǒng)MCU選用TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Cortex-M3超低功耗系列STM32L152CCT6A芯片，工作電壓為DC 1.8～3.6 V，休眠狀態(tài)功耗為0.28 μA。在連接性方面，具有1路USB 2.0，3路USART，2路SPI，2路I2C等接口，滿足了多路傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸需求。電路采用16 MHz外部晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，LSE采用32.768 kHz作為RTC時(shí)鐘，保證在系統(tǒng)掉電時(shí)備份寄存器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時(shí)間不丟失。主控電路原理如圖2所示。

MCU連接電子門鎖控制電路，可實(shí)時(shí)監(jiān)控門鎖開關(guān)狀態(tài)，判斷是否存在非法開門、誤開門和長時(shí)間未閉合等問題，同時(shí)具有遠(yuǎn)程開關(guān)電子鎖功能。連接溫濕度傳感器、傾斜傳感器、水浸傳感器、振動(dòng)傳感器等，監(jiān)控臺(tái)站運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)。接入供電狀態(tài)監(jiān)測電路，對(duì)供電方式、蓄電池壽命等進(jìn)行監(jiān)測，保證站點(diǎn)供電安全。

2.2 NB-IoT通信模組

NB-IoT通信模組采用中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所天博電子信息科技有限公司自主研發(fā)的TB-22型號(hào)通信模組。

TB-22是一款高性能、低功耗、多頻段的NB-IoT無線通信模組，供電電壓為3.1～4.2 V，產(chǎn)品尺寸為24 mm×

15.5 mm×2.2 mm，可滿足終端設(shè)備小型化設(shè)計(jì)需求。TB-22的待機(jī)功耗為5 μA，數(shù)據(jù)傳輸最大速率功耗為250 mA，最大輸出功率為（23±2）dB，支持NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，工作頻段為H-FDD B3，B5，B8，采用LCC封裝，內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧。接口包括2個(gè)UART接口，1個(gè)ADC接口，1個(gè)USIM卡接口，1個(gè)RESET接口，1個(gè)天線接口。

主控電路與TB-22模組通過串口方式通信，通過運(yùn)營商N(yùn)B-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控云平臺(tái)，數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)格式、時(shí)間間隔等參數(shù)可以根據(jù)用戶實(shí)際需求設(shè)置。

2.3 電源電路

系統(tǒng)供電采用地震監(jiān)測臺(tái)站市電供電，同時(shí)使用電池作為備用供電。在電源輸入端配置過流保護(hù)和自恢復(fù)保險(xiǎn)電路，并加入電壓狀態(tài)監(jiān)測端口，當(dāng)臺(tái)站的供電方式（由市電變?yōu)樾铍姵兀┌l(fā)生變化，以及蓄電池電量過低時(shí)可向監(jiān)控云平臺(tái)發(fā)送異常狀態(tài)信息。系統(tǒng)MCU供電電壓為DC 3.3 V，使用DC-DC電源轉(zhuǎn)換。備用電池是為了保障當(dāng)臺(tái)站內(nèi)市電、蓄電池兩種供電方式均出現(xiàn)故障時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可持續(xù)工作，并及時(shí)向云平臺(tái)發(fā)送報(bào)警信息。

3 地震臺(tái)站運(yùn)行監(jiān)控云平臺(tái)

地震臺(tái)站運(yùn)行監(jiān)控云平臺(tái)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于安全、可靠、實(shí)用、易于維護(hù)的要求，以基于J2EE的多層體系結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)架構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)方式，結(jié)合Web Service技術(shù)，開發(fā)維護(hù)方便，軟件可重復(fù)使用性和擴(kuò)展性較高[4]。

平臺(tái)主要功能包括臺(tái)站管理、基礎(chǔ)信息管理、綜合信息管理、報(bào)警信息管理以及用戶管理、維修工單下達(dá)、移動(dòng)端信息推送等。圖3所示為地震臺(tái)站運(yùn)行監(jiān)控云平臺(tái)系統(tǒng)界面。

監(jiān)控中心管理人員可通過平臺(tái)進(jìn)行地震臺(tái)站管理工作，建立地震臺(tái)站中地震監(jiān)測設(shè)備臺(tái)賬、地理位置信息等，具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析能力?？赏ㄟ^綜合信息管理對(duì)用戶信息、用戶權(quán)限、工單管理、電子門鎖開關(guān)操作等進(jìn)行設(shè)置，可對(duì)臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息以及報(bào)警信息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、分析、追朔等操作，可設(shè)置查詢條件方便查詢?nèi)罩拘畔ⅰ?/p>

當(dāng)臺(tái)站運(yùn)行出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，在平臺(tái)循環(huán)顯示報(bào)警信息、地圖異常站點(diǎn)閃爍提示，同時(shí)向相關(guān)負(fù)責(zé)人的手機(jī)APP客戶端及微信小程序推送報(bào)警信息。監(jiān)控中心管理人員通過報(bào)警信息迅速定位異常站點(diǎn)、異常設(shè)備，并及時(shí)安排維護(hù)人員查看故障信息并及時(shí)進(jìn)行處理，最后維修人員將處理結(jié)果通過APP反饋回監(jiān)控云平臺(tái)。

4 結(jié) 語

基于NB-IoT的地震臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地震監(jiān)測領(lǐng)域的融合應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、功能實(shí)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人值守地震監(jiān)測臺(tái)站運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可對(duì)異常報(bào)警信息迅速定位、明確故障設(shè)備、及時(shí)派單維修，具有良好的市場和應(yīng)用前景。但由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問題，目前適用范圍局限在城市內(nèi)的地震監(jiān)測站點(diǎn)，后期隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)大，系統(tǒng)應(yīng)用面會(huì)更加廣闊。

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