地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研制

王洪輝 卓天祥 魏超宇 鄒定康 鐘盼

摘要：為解決傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)采用2G/3G/4G及其他無線技術(shù)存在的耗電大、費(fèi)用高、網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)等問題，該文設(shè)計(jì)基于NB-IoT的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)。通過STM32單片機(jī)采集位移傳感器、雨量計(jì)等傳感數(shù)據(jù)，基于中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式通過BC95通信模塊上傳至Java Web平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)在四川省綿陽市某泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警站進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：預(yù)警站雖處西南山區(qū)，但NB網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好，設(shè)計(jì)的NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、功耗低（電壓5V，持續(xù)數(shù)傳電流146.36mA，省電模式電流5μA）、成本低（單點(diǎn)年費(fèi)20元），為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸提供新的解決方案，也可拓展NB-IoT的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;低功耗;地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè);BC95模塊

中圖分類號(hào)：TN929.5;TH764 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）05-0121-07

收稿日期：2018-10-24;收到修改稿日期：2018-11-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（41704130）;四川省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018SZ0347）;四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710616149）

作者簡介：王洪輝（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與信息技術(shù)研究。

0 引言

近年來，我國西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中突發(fā)性的崩塌、滑坡、泥石流因發(fā)生時(shí)間短、隱蔽性強(qiáng)，造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[7]。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，低成本、低功耗、高速率、多數(shù)據(jù)方式的無線傳輸手段，逐漸在工業(yè)應(yīng)用并取得成效。采用無線通信技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，其數(shù)據(jù)采集參數(shù)更全面、響應(yīng)速度快、可靠性更高，節(jié)約人力物力，有利于對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)警和防治[2-3]。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝于野外現(xiàn)場(chǎng)，氣象條件和地理環(huán)境相對(duì)惡劣，如供電不足、通信不暢，對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都是極大考驗(yàn)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用2G/3G/4G傳輸居多[4]，也有采用北斗短報(bào)文傳輸?shù)陌咐齕5-6]，總體來看，上述傳輸方式資費(fèi)較高、耗電大（如GSM模塊網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)電流高達(dá)2A）。

根據(jù)華為公司估計(jì)，以環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程抄表、智能停車等應(yīng)用為代表的長距離、低速率、低功耗場(chǎng)景為物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景，將占到物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)的60%。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band-Internet of things，NB-IoT）屬于低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有廣覆蓋、低功耗、支持海量連接的特點(diǎn)，是適用于上述場(chǎng)景的主流技術(shù)之一[7]。

為了適應(yīng)大量的低功耗應(yīng)用場(chǎng)景，NB-IoT提供了3種工作模式，如表1所示。對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，可使用PSM省電模式，極大降低系統(tǒng)功耗。

我國已出臺(tái)多項(xiàng)政策支持NB-IoT的發(fā)展，在智慧照明、智慧水務(wù)、智慧停車等下游細(xì)分應(yīng)用市場(chǎng)落地[8-12]，但整體而言NB-IoT商業(yè)模式尚未成熟[13]。目前還未見NB-IoT與地質(zhì)災(zāi)害交叉應(yīng)用的研究成果報(bào)道。因此，本文通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用測(cè)試，探究NB-IoT在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域的適應(yīng)性和可行性，為我國地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)提供一種新的解決方案，促進(jìn)學(xué)科交叉研究落實(shí)到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如圖1所示，包括傳感器信息采集、主控板、通信單元、供電4部分。

1.1 信息采集

通過傳感器將地質(zhì)環(huán)境變化的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路傳入單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害前兆信息的采集。本系統(tǒng)采用了地表位移和降雨量兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其器件選型如表2^[14]所示。

1.2 主控板

主控板用于采集傳感器數(shù)據(jù)，也用于與通信單元的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用資源相對(duì)豐富、處理性能也相對(duì)較強(qiáng)的STM32單片機(jī)（STM32F103）。考慮到野外設(shè)備檢修需要，主控板設(shè)計(jì)了一個(gè)LCD顯示屏（HB12864），通過DART與單片機(jī)（串口1）通信，實(shí)現(xiàn)位移、雨量等信息的實(shí)時(shí)顯示。在正常使用時(shí)，可去掉顯示屏以降低系統(tǒng)功耗，在檢修時(shí)使用顯示屏用于快速排查故障。

1.3 通信單元

NB-IoT模塊采用了上海移遠(yuǎn)公司的BC95模組，通過UART與主控板單片機(jī)（串口2）進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)交互。主控板根據(jù)用戶控制策略，將采集的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至預(yù)警平臺(tái)服務(wù)器，其通信鏈路如圖2所示。

以選擇中國電信運(yùn)營商為例，NB-IoT通信模塊想要完成數(shù)據(jù)的上傳必須經(jīng)過中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，經(jīng)過中轉(zhuǎn)后再由電信平臺(tái)的訂閱服務(wù)發(fā)送到指定的Java Web監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器模塊

本文采用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F103系列微處理器作為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控制器，該處理器是一款32位的ARM-M體系結(jié)構(gòu)的高性能處理器，最大支持1024KB的閃存和%KB靜態(tài)存儲(chǔ)內(nèi)存，使用8MHz晶振，經(jīng)過芯片內(nèi)部9倍頻后最高運(yùn)算頻率可達(dá)72MHz，具有16-1024KB的存儲(chǔ)空間支持實(shí)現(xiàn)多方面的應(yīng)用需要[15]。

具備3路SPI接口、2路IIC接口、3路USART和2路UART接口等通信接口，豐富的片內(nèi)資源充分滿足了本設(shè)計(jì)的需要，實(shí)物如圖3所示。

2.2 電源模塊

在野外地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，每一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)和模塊都需要供電，若僅使用普通電池?zé)o法滿足系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行，本系統(tǒng)采用鋰聚合物電池與太陽能電池板混合供電，各模塊需要提供不同種類的電源進(jìn)行供電，如表3所示。

2.3 NB-IoT通信模塊

本系統(tǒng)采用的BC95-B5是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模組，工作于850MHz，支持中國電信NB卡接入。由其構(gòu)成的通信單元主要包括電源、天線、SIM卡座、單片機(jī)通信接口，其電路原理圖如圖4所示，實(shí)物如圖5所示。

3 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

3.1 程序模塊劃分

系統(tǒng)單片機(jī)控制程序可分為數(shù)據(jù)采集模塊程序、傳輸模塊程序、人機(jī)接口程序（見圖6）。考慮到數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口程序在已發(fā)表的文獻(xiàn)中介紹很多，本文著重對(duì)NB-IoT的傳輸控制程序進(jìn)行闡述。

3.2 NB-IoT傳輸控制程序設(shè)計(jì)

3.2.1 CoAP協(xié)議

NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)和M2M的應(yīng)用通信模塊，屬于有限計(jì)算能力和少量內(nèi)存空間的資源受限型設(shè)備，使用帶有重傳事務(wù)處理機(jī)制的約束應(yīng)用協(xié)議（constrained application protocol，CoAP），能使NB-IoT設(shè)備得到可靠的傳輸保障。CoAP協(xié)議是一種面向網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，使用了和超文本傳輸協(xié)議相似的特性，其核心內(nèi)容包括可擴(kuò)展的頭選項(xiàng)、資源抽象、REST式交互等。想要像超文本傳輸協(xié)議對(duì)資源進(jìn)行GET、PUT、POST和DELETE等操作，只需讓應(yīng)用程序通過URl標(biāo)識(shí)來獲取服務(wù)器上的資源即可。

圖7所示為CoAP協(xié)議棧。第一層為請(qǐng)求鄺向應(yīng)層（request/response layer）用于傳輸操作命令的請(qǐng)求和響應(yīng)數(shù)據(jù);第二層為事務(wù)層（transaction layer），該層可以用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸互換，同時(shí)還可以提供信息交互時(shí)堵塞控制和組播等功能。CoAP的雙層處理方式，讓CoAP協(xié)議盡管沒有采用3次握手的TCP1辦議，也可以支持可靠的傳輸機(jī)制[16]。

3.2.2 中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配置

中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是中國電信針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)建立的一個(gè)服務(wù)平臺(tái)，用戶可通過電信物聯(lián)網(wǎng)NB卡將數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT設(shè)備上傳至該平臺(tái)。平臺(tái)可以完成多個(gè)NB-IoT終端的綜合管理，同時(shí)向第三方應(yīng)用平臺(tái)開放接口，讓平臺(tái)數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)發(fā)至開發(fā)者自己的Web服務(wù)器，以構(gòu)建行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用時(shí)，需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行配置，包括數(shù)據(jù)應(yīng)用添加、profile開發(fā)、編解碼插件的開發(fā)等，讀者可參閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)。

3.2.3 終端設(shè)備注網(wǎng)

終端設(shè)備注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)過14步，如圖8所示。

3.2.4 數(shù)據(jù)發(fā)送

為了便于平臺(tái)對(duì)不同設(shè)備（NB、4G或其他）的識(shí)別，需要定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，如圖9所示。

該格式由78位字符串組成，第19位到第26位表示設(shè)備號(hào)，第36位到第41位表示傳感器類型（rain降雨、dist位移、angl角度），第55位到第59位表示傳感器的數(shù)據(jù)（單位分別為mm、mm、（°）），第7s位到7s位表示接收間隔時(shí)間（單位為mm）。

在上述數(shù)據(jù)格式下，數(shù)據(jù)發(fā)送需經(jīng)過9步，如圖10所示。

對(duì)于NB-IoT設(shè)備，采用的是CoAP協(xié)議，只能將16進(jìn)制的碼流傳輸?shù)紺DP服務(wù)器上，所以必須將字符串格式變?yōu)锳SCII碼（圖10中Step9所示），發(fā)送到中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，再由電信平臺(tái)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至開發(fā)者的Web服務(wù)器。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試原型機(jī)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原型機(jī)（編號(hào)CUT-X-NB-O1）內(nèi)置STM32單片機(jī)、NB-IoT通信單元（中國電信NB物聯(lián)網(wǎng)卡年費(fèi)20元）、4G通信單元（本次測(cè)試不用）、傳感器接口、電源及人機(jī)接口（如圖11所示）。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2.1 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝

在四川省綿陽市某泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警站對(duì)CUT-X-NB-01設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試。選取了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位（見圖12），其NB通信信號(hào)強(qiáng)度如表4所示，信號(hào)質(zhì)量較好（D點(diǎn)稍微弱一點(diǎn)）。

4.2.2 平臺(tái)數(shù)據(jù)展示

用戶可登錄中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（或自有平臺(tái)），查看已接入平臺(tái)的設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（見圖13）。測(cè)試顯示2018年5月17日10：24：09位移數(shù)據(jù)為104.2mm，10：44：50位移數(shù)據(jù)為125.8mm，依次緩慢增加，10：47：57時(shí)刻位移數(shù)據(jù)為144.7mm，表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以順利進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

4.2.3 系統(tǒng)功耗測(cè)試

為了評(píng)估系統(tǒng)在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的功耗，在室內(nèi)用測(cè)試儀器（優(yōu)利德臺(tái)式萬用表UT804）進(jìn)行了測(cè)試（系統(tǒng)處于連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)）。結(jié)果為：系統(tǒng)外接5V電源供電，NB在連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的電流為146.36mA（見圖14）。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用國產(chǎn)BC95物聯(lián)網(wǎng)模組，通過接人中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息的低成本、低功耗、遠(yuǎn)程傳輸。經(jīng)過在四川省某泥石流監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了一種新的數(shù)據(jù)傳輸方案，也拓寬了NB-IOT的應(yīng)用領(lǐng)域。

需要指出的是，經(jīng)過數(shù)十年廣大科技工作者和工程技術(shù)人員的努力，我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的能力得到了很大的提升，災(zāi)害預(yù)警效果也愈發(fā)明顯。但是，近年發(fā)生的幾起重大地質(zhì)災(zāi)害事件（如2017新磨村滑坡[17]、2018金沙江白格滑坡—堰塞湖）顯現(xiàn)出我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作仍需加強(qiáng)，特別是開展交叉學(xué)科研究，將最新計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)等與工程地質(zhì)、巖土工程學(xué)科相結(jié)合，定能催生出一批新型、實(shí)用的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警新技術(shù)。

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（編輯：商丹丹）