随着中国城市建设的发展,城市基础设施建设事业也得到了持续快速的发展。城市中给水、排水、燃气、热力、电力和通信等各类市政公用设施日益增加,城市路面的各类管线设施的井盖也相应地不断增多^[1]。全国特大型城市各类井盖总数量均在100万个以上,大型城市在80万个以上,中型城市在50万个以上^[2]。近年来,由于城市中井盖管理不善,造成全国范围内各类伤人、损车事件频发,严重影响了市民的出行安全,造成不良的社会影响^[3]。

针对以上问题,国内外一些高校和研究机构都进行了相应的研究并提出了解决方案,以对井盖实施有效管理。有研究者提出用传感器检测井盖的破裂^[4]、位移^[5-6]、倾角^[7]、光照强度^[8],并将监测结果通过ZigBee无线网汇总至GPRS网关^[9-10],然后上传至服务器^[11-12]。也有研究者提出,将监测到的物理量通过433 Mbit无线网汇总至GPRS网关,再上传至服务器^[13]。这些解决方案都能够远程监测井盖状态,但是大都以自组网加GPRS网关的两跳方式进行数据传输,其网络部署需要考虑较多因素,后期网络需要持续维护,传输距离较长时需要使用路由中继。

为了避免以上方案存在的问题,笔者提出将窄带物联网(narrowband internet of things,NB -IoT)技术应用于实时被动式井盖监测系统(以下简称系统)。同时采用被动触发和休眠相结合的设计,以降低检测终端功耗,加长检测终端使用年限。

NB -IoT是一种符合3GPP标准的新型无线接入技术,能为物联网提供广域覆盖。NB -IoT使用License频段,在上行和下行传输数据时,最小只消耗180 kHz的系统带宽^[14],可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或LTE网络,以降低部署成本、实现网络平滑升级^[15]。NB -IoT具有以下特点。

1)深度覆盖。在相同的频段下,NB -IoT网络比3G、4G等现有网络信号强度增益20 dB左右,覆盖面积扩大100倍。这使得在地下车库、地下室、地下管道等手机信号难以到达的地方,NB -IoT信号也可以覆盖。

2)海量连接。NB -IoT的一个扇区能够支持多达10万个连接,城区每平方千米可接入终端30万个^[16]。

3)传输速率和功耗低。NB -IoT射频带宽为180 kHz,上行下行峰值速率不大于250 Kbit/s^[17],聚焦小数据量、小速率应用,因此NB -IoT设备功耗可以做到非常小。

4)稳定可靠。NB -IoT使用全球授权频段,传输网络由运营商现网升级而来,安全可靠。

5)终端部署优势明显。NB -IoT终端所采集的数据可直接通过基站上传云端,相比于Zigbee、Lora、蓝牙等无线传输技术,省去了组网步骤和网关,使得终端部署更加灵活,垂直应用更加方便。

6)成本低。相比于其他无线技术,NB -IoT技术低功耗低速率的特性使其芯片需要更小的缓存、更低的RF设计要求、更小的体积,这些技术指标的降低决定了NB -IoT芯片成本能够更低^[18]。

NB -IoT技术主要面向低成本、低功耗、低速率和广覆盖的应用场景^[7],如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业、智慧物流、市政管理、智能电网和智能楼宇等。

系统结构如图1所示,它由包含电子器件的井盖检测终端、NB通信基站、核心网、服务器和用户组成。检测终端通过NB -IoT模组与附近基站通信,数据经由核心网传输至服务器,运行在服务器上的应用程序将数据处理后产生报表和报警信息,发送至维修人员的移动终端,管理人员也可以在管理平台上查看所有井盖的状态。井盖检测终端处理器平时处于休眠状态,传感器和通信模组处于掉电状态,以达到省电的目的。处理器以6 h的周期自动唤醒,给传感器和通信模组上电,采集井盖姿态、自身的电量,然后将数据与井盖编号等固定信息融合后上传给服务器。在通信时,服务器可以发送指令给终端,修改其唤醒周期。当外界使井盖发生倾斜时,检测终端内的倾角开关状态发生变化,产生信号唤醒处理器,处理器被唤醒后,控制电源芯片给三轴加速度传感器和通信模组供电,读取井盖的姿态。终端将信息发送至服务器,服务器应用程序产生报警信息,通知相关人员及时检修。

图1 系统结构
Fig.1 System structure

检测终端硬件组成如图2所示,由NB -IoT模组、CPU、三轴加速度传感器、倾角开关、电源控制芯片和电池组成。

图2 检测终端硬件组成
Fig.2 Composition of detecting terminal hardware

NB -IoT通信模组采用华为海思的BC95模块,该模块支持NB -IoT通信标准,硬件通信接口为UART,使用AT命令控制,休眠功耗低至5 μA,内嵌UDP和CoAP协议,是目前NB -IoT通信的理想选择。BC95在使用时有PSM、Idle、Active 3种模式,最大工作电流分别是5 μA、6 mA、300 mA。终端选用18650锂电池作为电源。电源控制使用双路供电的设计,采用开关电源芯片TPS62120为CPU和被动触发电路供电,用开关电源芯片TPS82150为BC95模组和加速度传感器供电,平时开关电源芯片TPS82150处于关断状态。当需要采集井盖姿态并上报时,CPU控制开关电源芯片打开,给BC95模组和传感器供电。

CPU采用STM32L053C8T6芯片,该芯片带有64 KB Flash、8 KB RAM、2 KB EEPROM,12 bit精度的ADC接口和2个串口,并且支持8种低功耗模式。

被动触发设计使用了4个单向倾角开关来检测井盖在x、y、-x、-y 4个方向的倾斜。当井盖被撬起以后,x、y、-x、-y中1个或2个方向的倾角开关状态发生变化,产生上升沿或者下降沿信号,唤醒CPU,终端开始采集井盖姿态并上报。

姿态采集传感器采用三轴加速度传感器ADXL345,三轴加速度传感器可以检测重力加速度在芯片x、y、z 3个方向的分量,因此可以用来测量井盖的倾斜角度。传感器通过四线式SPI接口与CPU进行通信。

检测终端的软件使用前后台系统,每个任务按顺序执行,其流程如图3所示。

图3 终端软件流程图
Fig.3 Terminal software flowchart

通信协议是检测终端与平台通信时对数据包格式的约定,只有按照约定的格式上报和解析,才能正常完成上报和下发。通信协议设计如表1～2所示。

表1 上报协议
Table 1 Agreement of updating

表2 下发协议
Table 2 Agreement of issuing

三轴加速度传感器可以检测x、y、z 3个轴方向上的加速度,当传感器静止处于倾斜状态时,其x、y、z轴与重力加速度方向形成的夹角分别为θ、α、β,重力加速度在x、y、z轴方向上的分量分别为g_x、g_y、g_z,而g_x、g_y、g_z可由三轴加速度传感器测得。通过重力加速度分解(图4),可知g_y=gcosα,从而α=arccos(g_y/g),同理可得θ=arccos(g_x/g),β=arccos(g_z/g)。

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

系统的容错设计主要考虑外部环境的不确定性。导致系统不正常工作的因素可能来自倾斜的路面、过往车辆、作业、元件失效和雷电等。因此,系统容错策略主要针对以下几种情况。

由于终端会被安装在井盖背面,所以安装时会先给终端上电,然后才安装。为了避免安装时由于翻转井盖导致终端误报信息,所以软件上采用注册机制,终端上电后会向平台请求注册,注册完毕后才开启被动触发功能。

很多时候需要翻开井盖进行作业,为了避免此类情况造成的误报,在作业前,需要由平台下发指令给终端,使指定的井盖关闭被动触发的功能,待平台确认作业完毕后,下发控制指令使终端开启被动触发功能。

倾角开关可能因为质量或工艺等原因不能产生触发信号,而通过使用三轴加速度传感器,可以得知井盖当前姿态。因此,平台通过比较井盖当前姿态和初始姿态,得知井盖是否塌陷倾斜。

在实际应用中,大部分安装井盖的路面倾斜程度都不同。这样带来的问题是,当路面倾斜度接近倾角开关的动作角时,微小的抖动便能使倾角开关状态发生变化,从而产生误报。为解决此类问题,倾角开关需要选择合适的灵敏度。井盖的安装根据城市道路检查井盖技术规范,如图5所示。图6为井盖翘起后的示意图,其中A为井座支承面至顶面的的高度,D为井盖直径,ω为井盖被撬起时的倾角。

图5 井盖安装
Fig.5 Installation of manhole cover

图6 井盖翘起示意图
Fig.6 Diagram of manhole cover prying up

由图5～6可知,

ω=arcsin(A/D)。

假设井盖对路面的容忍倾斜角度为γ,考虑到路面有倾斜,那么倾角开关的动作角ψ至少为:

ψ=ω+γ。

同理,对方形井盖也应该选择同样动作角的倾角开关。

在户外环境下,由于高温、低温、雷电等因素均可能导致终端不工作,为了让管理平台掌握终端是否正常工作,终端需要周期性主动向平台上报井盖状态。

使用动作角为10°的倾角开关,电脑运行UDP服务器并做好端口映射,等待检测终端连接上报。BC95预先配置南向地址和PLMN(公共陆地移动网络),使用自动找网方式进行联网。将检测终端静止放置,待其进入休眠后,慢慢倾斜终端,通过串口打印信息观察终端是否被唤醒,并记录终端被唤醒时的倾角。通过串口打印信息记录终端的唤醒时间点、连上服务器的时间点、上报信息的时间点和下发数据到达终端的时间点,通过UDP服务器记录数据下发的时间点、上报数据到达的时间点。联网过程和上报过程如图7～8所示。

最后整理各个环节的数据,如表3所示。

图7 联网过程
Fig.7 Networking process

图8 上报过程
Fig.8 Updating process

表3 测试结果
Table 3 Test results

从表3中可以得出,测试环境NB网络信号强度均值为-55.275 dB,信噪比均值为24.15 dB。8组实验中,终端被唤醒时的倾角均值为9.875°; 终端联网过程较慢,平均需要33.875 s; 对于24 B的上报数据和7 B的下发数据,传输用时均值分别为777.625 ms和796.125 ms。

笔者运用NB -IoT技术设计了一种实时被动式井盖监测系统,该系统能够准确地响应井盖的倾斜产生报警事件,较稳定快速地联网和传输数据至服务器,并通过被动触发和终端休眠相结合的设计,解决了NB -IoT在智能井盖应用中实时要求和省电要求相冲突的难题,从而实现了对井盖实时监测系统的优化。