基于NB-IoT的地震臺站運行狀態監控系統

楊曉明

摘 要：文中介紹了基于NB-IoT信號傳輸技術的地震臺站運行狀態監控系統。系統通過多種類型的傳感器組及電子門鎖，實時監測臺站運行環境狀態信息。同時，通過NB-IoT網絡將臺站運行狀態數據實時上傳至運行監控云平臺。文中對系統架構、硬件電路設計、平臺軟件功能等進行了介紹，該系統具有實時監控、無人值守、異常報警等特點，進行了將NB-IoT數據傳輸技術應用于地震臺站監測的嘗試。

關鍵詞：地震監測臺站;NB-IoT模組;實時監控;異常報警;MCU控制電路;STM32

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

地震監測臺站是擁有一種或多種地震和地震前兆監測手段，專門從事地震監測的站點，是國家地震監測網的重要組成部分。隨著中國地震局“十二五”規劃順利實施，地震監測臺站信息化改造初步完成，全國無人值守的地震臺站數量大幅增加，地震監測能力不斷提升，但是也帶來了無人值守站點的監控難、故障發現不及時、運維人力成本高等問題[1]。

隨著電子信息技術的飛速發展，物聯網、云計算、大數據等新興技術逐漸在地震監測中發揮著重要的作用。根據《防災減災“十三五”專項規劃—地震信息化規劃》中提出的“智慧地震”發展戰略[2]，我們嘗試將基于NB-IoT網絡的物聯網數據傳輸技術運用到地震臺站運行狀態監測服務中，開展網絡化、智能化、服務化、協同化的業務發展新型式。本文介紹了基于NB-IoT技術的地震臺站運行狀態監控系統方案，為地震監測智能化、信息化發展提供服務及技術支持。

1 系統方案及功能

系統通過前端傳感器組、終端設備等獲取地震臺站運行狀態的數據信息后，利用NB-IoT通信模組將數據發送至地震臺站運行監控云平臺及手機APP客戶端。地震監測中心管理員可通過監控云平臺實時了解臺站運行狀態信息，當臺站出現異常狀態時會實時在平臺端、手機端進行報警、消息推送，管理員可針對異常站點、故障設備信息給臺站維護人員下派工單進行檢修。系統結構如圖1所示。

系統的感知層中包含電子門鎖、水浸傳感器、溫濕度傳感器、振動傳感器、傾斜傳感器、電壓監控模塊等傳感器組，可實時監測地震監測臺站的運行狀態，并通過NB-IoT模組將數據實時上傳至監控云平臺。當出現非法開門、供電異常、水浸、傾斜等異常狀態時，可通過平臺報警、手機APP推送異常信息等方式通知監控中心管理人員關注，及時安排維修人員進行站點檢修、維護。同時，系統還具有遠程控制監測站點電子門鎖開關功能，提高站點安全性。該系統主要定位于為城市地震臺站運行狀態提供監控服務，同時具有多場景擴展性，可廣泛應用于運營商、電力部門等室內外箱體運行狀態的監控與管理。

2 系統硬件設計

系統的硬件電路設計主要包括主控電路、NB模組通信電路、電源電路、電子門鎖控制電路等，完成對地震臺站運行狀態中電子門鎖狀態、溫濕度、傾斜、震動、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，實現數據采集與控制。系統MCU選用TI公司設計生產的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數據傳輸需求。電路采用16 MHz外部晶振作為系統時鐘，LSE采用32.768 kHz作為RTC時鐘，保證在系統掉電時備份寄存器數據和系統時間不丟失。主控電路原理如圖2所示。

MCU連接電子門鎖控制電路，可實時監控門鎖開關狀態，判斷是否存在非法開門、誤開門和長時間未閉合等問題，同時具有遠程開關電子鎖功能。連接溫濕度傳感器、傾斜傳感器、水浸傳感器、振動傳感器等，監控臺站運行環境狀態。接入供電狀態監測電路，對供電方式、蓄電池壽命等進行監測，保證站點供電安全。

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的TB-22型號通信模組。

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，產品尺寸為24 mm×

15.5 mm×2.2 mm，可滿足終端設備小型化設計需求。TB-22的待機功耗為5 μA，數據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網絡，工作頻段為H-FDD B3，B5，B8，采用LCC封裝，內嵌網絡服務協議棧。接口包括2個UART接口，1個ADC接口，1個USIM卡接口，1個RESET接口，1個天線接口。

主控電路與TB-22模組通過串口方式通信，通過運營商NB-IoT網絡將數據實時發送至監控云平臺，數據量、數據格式、時間間隔等參數可以根據用戶實際需求設置。

2.3 電源電路

系統供電采用地震監測臺站市電供電，同時使用電池作為備用供電。在電源輸入端配置過流保護和自恢復保險電路，并加入電壓狀態監測端口，當臺站的供電方式（由市電變為蓄電池）發生變化，以及蓄電池電量過低時可向監控云平臺發送異常狀態信息。系統MCU供電電壓為DC 3.3 V，使用DC-DC電源轉換。備用電池是為了保障當臺站內市電、蓄電池兩種供電方式均出現故障時監控系統可持續工作，并及時向云平臺發送報警信息。

3 地震臺站運行監控云平臺

地震臺站運行監控云平臺軟件系統的設計基于安全、可靠、實用、易于維護的要求，以基于J2EE的多層體系結構為系統架構，采用模塊化設計方式，結合Web Service技術，開發維護方便，軟件可重復使用性和擴展性較高[4]。

平臺主要功能包括臺站管理、基礎信息管理、綜合信息管理、報警信息管理以及用戶管理、維修工單下達、移動端信息推送等。圖3所示為地震臺站運行監控云平臺系統界面。

監控中心管理人員可通過平臺進行地震臺站管理工作，建立地震臺站中地震監測設備臺賬、地理位置信息等，具有數據處理、數據存儲、數據分析能力。可通過綜合信息管理對用戶信息、用戶權限、工單管理、電子門鎖開關操作等進行設置，可對臺站運行狀態數據信息以及報警信息進行處理、存儲、分析、追朔等操作，可設置查詢條件方便查詢日志信息。

當臺站運行出現異常狀態時，監控系統發出報警，在平臺循環顯示報警信息、地圖異常站點閃爍提示，同時向相關負責人的手機APP客戶端及微信小程序推送報警信息。監控中心管理人員通過報警信息迅速定位異常站點、異常設備，并及時安排維護人員查看故障信息并及時進行處理，最后維修人員將處理結果通過APP反饋回監控云平臺。

4 結 語

基于NB-IoT的地震臺站運行狀態監控系統是物聯網技術在地震監測領域的融合應用，系統設計合理、功能實用，實現了對無人值守地震監測臺站運行環境的實時監控，可對異常報警信息迅速定位、明確故障設備、及時派單維修，具有良好的市場和應用前景。但由于NB-IoT網絡覆蓋的問題，目前適用范圍局限在城市內的地震監測站點，后期隨著NB-IoT網絡覆蓋范圍的擴大，系統應用面會更加廣闊。

參考文獻

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