基于NB-IoT的野外警示牌防盜報警系統的設計與實現

趙青 曾天橋 顏君凱 周欣

摘要：針對落地式警示牌遭到人為破壞和遺失造成的資產損失，以及界定主體單位承擔不必要事故責任的問題，設計了一種基于NB-IoT的野外警示牌防盜報警系統，實現了對警示牌的精確定位和防盜報警，搭建了野外警示牌信息管理平臺。系統具有高穩定、高精度、長續航優勢，有重要的推廣前景和應用價值。

關鍵詞：警示牌；窄帶物聯網；全球導航衛星系統；MySQL數據庫；信息管理平臺

中圖分類號：TP27文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）20-69-4

0引言

如今是人工智能的時代，人工智能已經滲透到人們生產和生活的每一個角落。顯然，與智慧城市密切相關的警示牌管理系統也不例外[1]。警示牌是一種通過標語提醒來保障人員生命安全的公共設施，區別于城鎮街道上的各類警示牌，野外警示牌因地理環境特殊，經常遭到人為破壞和偷盜。揚州輸電運檢室每年新增警示牌上千塊，大部分是遺失增補。警示牌遺失一方面造成公司資產損失，另一方面當發生安全事故后，現場缺少警示牌將使公司承擔不必要的事故責任。

因此，有必要構建一種警示牌防盜報警系統。警示牌無需頻繁移動，數據量小，由于其本身低價的特點決定了系統應當成本低、功耗小、壽命長、免維護[2]。IoT應用是新興的技術應用之一，被認為是多個行業和公用事業的關鍵數字轉型推動者[3]。而NB-IoT最初就被設想為適用于移動性支持不強的應用場景，這為面向云端的野外警示牌防盜報警系統提供了很好的解決方案[4]。NB-IoT是基于蜂窩網的窄帶物聯網技術，支持海量連接，有深度覆蓋能力，功耗低，適合傳感、計量、監控等物聯網應用[5]。

本文構建了一種基于NB-IoT的野外警示牌防盜報警系統，通過NB-IoT技術，系統將采集到的各類數據傳輸到云服務器，并保存在MySQL數據庫中，通過信息管理平臺，運維人員可以實現對野外警示牌的統一監管。

1野外警示牌防盜報警系統架構

野外警示牌防盜報警系統具備信息采集、無線傳輸、數據存儲以及遠程管理的功能，該系統分為感知層、通信層和應用層。系統架構如圖1所示。

第1層為感知層，位于NB-IoT的最底層，是所有上層架構與服務的基礎[6]。編碼后的數據通過MCU串口以AT命令的形式發送到NB模塊，NB-IoT芯片在接收到AT命令后[7]，將傳感器采集到的警示牌經緯度數據、陀螺儀數據經NB-IoT基站發送至云服務器；第2層為通信層，通過實時監聽云服務器的接收端口，將監聽到的數據流保存在MySQL數據庫中；第3層為應用層，通過搭建信息管理平臺，運維人員可以實時查看警示牌位置信息。

2系統硬件設計

野外警示牌防盜系統由電源模塊、STM32微控制器模塊、陀螺儀模塊、NB-IoT模塊和GNSS定位模塊構成。系統硬件結構如圖2所示。

STM32微控制器作為主控單元，連接其他各個模塊，實現相應功能；NB-IoT模塊采用集成NB-IoT和GNSS的多功能無線通信模組BC20[2]，內置的GNSS定位模塊可以實現經緯度信息的采集；電源模塊為STM32微控制器、陀螺儀模塊以及NB-IoT模塊，提供工作電源。主控單元在獲取到定位數據以及陀螺儀數據后，使用AT命令將數據通過NB-IoT基站傳輸至云服務器。

2.1 STM32微控制器模塊

微控制器模塊選用STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片的工作頻率可達72 MHz，外設資源豐富、性能穩定。控制器外部連接電源電路、晶振電路和復位電路組成最小工作系統。根據硬件系統各模塊的功能要求，對I/O引腳進行分配，部分功能引腳如表1所示。

2.2電源模塊

電源模塊選用太陽能板來保證系統長久續航，初始電壓經過太陽能充電管理芯片CN3791降壓到4.2 V后，對3.7 V鋰電池進行充電，同時設計了鋰電池過充保護電路，電池充滿后會停止充電，延長鋰電池壽命。系統通過穩壓芯片輸出3.3 V電壓為各個模塊供電。

2.3陀螺儀模塊

MPU6050傳感器是全球首例9軸運動處理傳感器芯片，它集成有三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速計，以及一個可供擴展的數據運動處理器DMP[8]。野外警示牌內的陀螺儀模塊同時檢測野外警示牌的方向、方向和方向的角速度，并通過串口將角速度數據傳輸給STM32微控制器。通過角速度的定量分析對警示牌的位置狀態進行定性判斷。若警示牌被人為破壞，即角速度超出設定閾值時，系統立即向運維人員發送報警信息。

陀螺儀模塊的引腳與STM32微控制器連接如圖3所示。MPU6050傳感器檢測軸如圖4所示。