基于NB-IoT 無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)的井下監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張瀚，邱燦樹，文建鵬，何君如

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司潮州供電局，廣東潮州 521000）

隨著城市建設(shè)的不斷加快，城市覆蓋面積逐漸增大，井蓋等基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量迅速增加，由于井下甲烷濃度過高或有毒氣體增加等原因，井蓋爆炸事故時有發(fā)生，給人們的生產(chǎn)生活帶來極壞的影響，為提升井蓋等基礎(chǔ)設(shè)施的安全性，市政部門對城市水利水電、能源燃?xì)狻⑼ㄐ烹娏Φ确矫孢M(jìn)行了集中管理與完善，加大對井蓋的巡查力度，加強(qiáng)對井蓋的維護(hù)[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，單靠人力對井蓋進(jìn)行巡查，監(jiān)測效果較低，為此國內(nèi)的專家學(xué)者們展開了相關(guān)的研究。

文獻(xiàn)[2]提出基于ZigBee 無線通信技術(shù)的井下監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器將井下氣體濃度等數(shù)據(jù)通過ZigBee 組網(wǎng)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)終端，利用RS232 總線與通信終端進(jìn)行通信，由此實(shí)現(xiàn)對窖井蓋的遠(yuǎn)程監(jiān)測，但該系統(tǒng)對窖井蓋的監(jiān)測精度低，且針對井蓋存在的風(fēng)險沒有進(jìn)行及時警報。文獻(xiàn)[3]提出基于電力線通信的井下監(jiān)測系統(tǒng)，采用STM32F103 作為微控制器，采集井下安全隱患?xì)怏w指標(biāo)，利用電力線載波芯片ST7540 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成井下安全狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，該系統(tǒng)雖在一定程度上實(shí)現(xiàn)了井蓋的管理與監(jiān)測，但系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

為了解決以上問題，該文設(shè)計了基于NB-IoT 無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)的井下監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 控制模塊設(shè)計

控制模塊的主控芯片采用了軍工級32 位超低功耗、高性能的MCU，該主控芯片的工作頻率為64 MHz，可與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)核為RISC 內(nèi)核，整機(jī)休眠待機(jī)電流為3 mA，抗老化、耐腐蝕，可對電磁進(jìn)行干擾，在井下可持續(xù)穩(wěn)定工作，同時內(nèi)部設(shè)有Flash存儲器，存儲空間可為512 kB 字節(jié)，此外，控制模塊具有兩個16 位定時器、兩個8 位的ADC、若干I/O 端口、三個SPI接口、一個UART接口、一個USB接口[4-5]。控制模塊如圖1 所示。

圖1 控制模塊

根據(jù)圖1 可知，主控芯片主要將傳感器采集的井下甲烷濃度數(shù)據(jù)、液位數(shù)據(jù)、壓力與位移數(shù)據(jù)等進(jìn)行打包，然后傳輸給NB-IoT 通信模塊，控制模塊中的ADC 接收到指令后，退出PSM 狀態(tài)，進(jìn)入控制模式。

1.2 傳感器模塊設(shè)計

傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集井下水位變化數(shù)據(jù)、井蓋壓力數(shù)據(jù)、有毒有害氣體濃度數(shù)據(jù)、井蓋偏移數(shù)據(jù)，因此傳感器模塊需要四種傳感器，四種傳感器分別為液位傳感器、壓力傳感器、甲烷傳感器與三軸加速度傳感器。

液位傳感器的型號為壓差式液位傳感器TD-183，當(dāng)井下水位變化時，液位傳感器采集水位變化數(shù)據(jù)，并以電壓差的形式進(jìn)行監(jiān)測。

壓力傳感器主要采集井蓋的壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)井蓋被沙子、汽車等物體長期擠壓時，會對井蓋造成一定的損傷，從而降低井蓋的壽命，壓力傳感器通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換形式采集完井蓋的實(shí)時壓力數(shù)據(jù)后，將其通過I2C 通信方式進(jìn)行傳輸[6-7]。

甲烷傳感器的工作原理：當(dāng)甲烷傳感器檢測出井下存在有毒有害氣體時，會產(chǎn)生一定大小的電流，將電流信號通過I/O 端口進(jìn)行輸出，一旦井下有毒有害氣體濃度上升時，I/O 端口的電流值將增大，再利用A/D 轉(zhuǎn)換對電流值進(jìn)行檢測，測出有毒有害氣體濃度。

采用三軸加速度傳感器監(jiān)測井蓋的位移或者是否發(fā)生異常振動情況，采用ADTK632 型三軸加速度傳感器，該傳感器具有休眠與工作兩種模式，當(dāng)加速度傳感器檢測到井蓋位移發(fā)生變化時，將位移變化數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)位移進(jìn)行對比，如果檢測到的位移數(shù)據(jù)較大，三軸加速度傳感器會轉(zhuǎn)化為工作模式，如果位移數(shù)值符合標(biāo)準(zhǔn)，則傳感器進(jìn)行休眠模式[8-9]。

1.3 NB-IoT通信模塊設(shè)計

NB-IoT 通信模塊主要負(fù)責(zé)將傳感器模塊采集的水位數(shù)據(jù)、有毒有害氣體濃度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)以無線遠(yuǎn)程通信的方式發(fā)送到井蓋報警器。NB-IoT 通信模塊包括NB 卡卡座、多個通信串口、電路開關(guān)、濾波天線等，該NB-IoT 通信模塊采用LCC進(jìn)行封裝，與傳感器模塊以UART 接口進(jìn)行通信，該模塊工作電壓為3.3 V，瞬時電壓為4.8 V，根據(jù)傳感器模塊的休眠與工作模式可對功耗進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)傳感器模塊將井蓋相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸過來后，控制模塊給NB-IoT 通信模塊發(fā)送指令，使其打開無線通信模塊，通過NB-IoT 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至井蓋報警模塊的服務(wù)器上，發(fā)送完成后進(jìn)入待機(jī)模式，等待控制模塊的下一次喚醒[10-11]。

1.4 井蓋報警模塊設(shè)計

井蓋報警模塊主要根據(jù)NB-IoT 通信模塊傳輸?shù)木w數(shù)據(jù)向監(jiān)測終端發(fā)送報警信息。井蓋報警模塊包括井蓋報警器、報警LED燈、蜂鳴器，井蓋報警器的工作頻率為3.6 GHz，功耗較低，當(dāng)NB-IoT 通信模塊將井蓋數(shù)據(jù)發(fā)送過來后，控制模塊將報警模塊喚醒，使其進(jìn)行工作模式，井蓋報警器根據(jù)NB-IoT 發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送報警信號，并控制LED 等進(jìn)行閃爍[12-13]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

井下監(jiān)測系統(tǒng)的軟件流程如圖2 所示。

圖2 井下監(jiān)測系統(tǒng)的軟件流程

監(jiān)測系統(tǒng)初始化操作流程如下：對控制程序進(jìn)行初始化，完成后，對主控芯片、各種接口、定時器、NB-IoT 通信程序、傳感器、報警程序進(jìn)行初始化，對傳感器發(fā)送喚醒指令，使其進(jìn)入工作模式，傳感器模塊開始根據(jù)定時器設(shè)定的時間進(jìn)行采集，然后將采集完成的井蓋壓力數(shù)據(jù)、井下有毒有害氣體濃度數(shù)據(jù)、井蓋震動、位移數(shù)據(jù)、井下水位變化數(shù)據(jù)一并傳輸?shù)絅B-IoT 通信程序上，NB-IoT 通信程序?qū)⒔邮盏降木w相關(guān)數(shù)據(jù)與對應(yīng)井蓋的編碼、位置等信息發(fā)送至井蓋報警程序上[14]。井下水位變化計算公式為：

其中，Z為監(jiān)測到的水位變化；α為監(jiān)測參數(shù)；κ為監(jiān)測次數(shù)；W表示監(jiān)測的水質(zhì)情況；A表示監(jiān)測水深。

監(jiān)測發(fā)送指令計算公式為：

其中，M為監(jiān)測發(fā)送指令；T為監(jiān)測時間。

然后，發(fā)送報警信息。井蓋報警模塊接收到NB-IoT 通信程序發(fā)送的井蓋相關(guān)數(shù)據(jù)后，由控制程序向井蓋報警程序發(fā)送鑒權(quán)指令，井蓋報警程序接收到鑒權(quán)指令后，向控制程序發(fā)送反饋指令，這時說明控制程序與井蓋報警程序連接成功，否則繼續(xù)向報警程序發(fā)送指令，直至發(fā)送成功。連接成功后，報警程序進(jìn)入工作模式，根據(jù)NB-IoT 通信程序發(fā)送的水位數(shù)據(jù)判斷井下水位是否溢出，如果溢出，則發(fā)送報警信息1，沒有溢出，發(fā)送報警信息0；根據(jù)井蓋位移數(shù)據(jù)判斷井蓋位置是否超出標(biāo)準(zhǔn)，如果超出標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送報警信息1，沒出超出標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送報警信息0；根據(jù)井下燃?xì)鉂舛葦?shù)據(jù)判斷此時井下燃?xì)鉂舛仁欠癯瑯?biāo)，如果超標(biāo)，發(fā)送報警信息1，若沒超出，發(fā)送報警信息0。監(jiān)測終端接收報警信息，并控制報警程序進(jìn)入休眠模式[15]。

最后，針對問題井蓋進(jìn)行實(shí)時定位與導(dǎo)航。監(jiān)測終端接收報警信息后，巡檢人員根據(jù)監(jiān)測終端顯示的問題井蓋的位置信息、編碼、井蓋采集數(shù)據(jù)等，使用手機(jī)開啟后臺報警服務(wù)，向監(jiān)測終端發(fā)送請求，監(jiān)測終端對其進(jìn)行響應(yīng)后，巡檢人員查詢歷史數(shù)據(jù)，對問題井蓋進(jìn)行地圖定位與導(dǎo)航[16]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計的基于NB-IoT 無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)的井下監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，選用該文設(shè)計系統(tǒng)和文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在監(jiān)測過程中，井下通信監(jiān)測系統(tǒng)將會受到干擾信號干擾，三種系統(tǒng)得到的監(jiān)測穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測結(jié)果

觀察圖3 可知，文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)在受到干擾后，在0.4 s 時，系統(tǒng)電壓出現(xiàn)了崩潰，電壓值開始、大幅度地波動，穩(wěn)定性極差，崩潰結(jié)果難以控制。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)在受到干擾后，0.8 s 后，電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也基本呈現(xiàn)崩潰狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部電壓趨于極值，電壓穩(wěn)定性問題十分突出。該文提出的系統(tǒng)所受影響最小，在運(yùn)行時間為0.8 s 后，系統(tǒng)出現(xiàn)了電壓波動，電壓值大幅度增加，這種狀態(tài)維持到1.8 s，1.8 s 后電壓波動得到有效控制，電壓再次回歸到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

分析上圖監(jiān)測過程的電壓穩(wěn)定性，可知三種系統(tǒng)在受到干擾的狀況下，監(jiān)測狀態(tài)都會受到影響，并出現(xiàn)波動，傳統(tǒng)的兩種監(jiān)測系統(tǒng)在受到外界干擾后，都出現(xiàn)了電壓崩潰的狀態(tài)，監(jiān)測能力較差，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測。該文研究的系統(tǒng)雖然也出現(xiàn)了較大幅度的波動，但是在短時間內(nèi)得到控制，運(yùn)行狀態(tài)相對較好。

在確定三種監(jiān)測系統(tǒng)受干擾狀態(tài)下的監(jiān)測能力后，對監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失率進(jìn)行分析。

根據(jù)圖4 可知，隨著監(jiān)測電壓的增加，數(shù)據(jù)丟失率也在不斷下降，該文系統(tǒng)在電壓為0.48 V 時，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失率已經(jīng)為0，然而文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)在電壓為0.59 V時，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失率才能達(dá)到0，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)電壓為0.63 V 后，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失率才完全沒有。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失率

由此可見，該文提出的監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不丟失，整體監(jiān)測能力都要優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

為了對井蓋進(jìn)行集中管理與維護(hù)，設(shè)計了基于NB-IoT 無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)的井下監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對城市井蓋的管理與維護(hù)，減少了井蓋維修人員的勞動量，降低了井蓋爆炸事故與“井蓋吞人”發(fā)生的概率，能夠?yàn)榫S護(hù)人們的生命財產(chǎn)安全作出一定貢獻(xiàn)。