基于NB-IoT和OTA的云上智能井蓋監控系統設計

趙靜靜，田延飛

（1.浙江工貿職業技術學院 人工智能學院，浙江 溫州 325003；2.浙江海洋大學 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022）

0 引言

城市基建事業高速發展，地下管線井、污水井等井蓋數量急劇上升，井蓋丟失、塌陷和井下溢水等現象造成的安全事件頻發，傳統井蓋以人工巡檢為主，不能及時發現井蓋異常信息，且人力維護成本較高，人員監督管理較難［1-2］，也不符合智慧城市發展理念。

智慧井蓋作為智慧城市的重要一環，有著舉足輕重的地位。近年來針對井蓋智能監測的問題，已有人提出了不同解決方案，張宏偉［3］等提出的基于單片機的智能井蓋監控系統強調了井蓋姿態、溫度、水位等感器數據的采集設計，提到使用無線通信模塊進行采集數據的發送，但具體使用的通信技術沒有明確指出。劉雪亭等［4-5］采用遠距離無線電（LoRa，long range radio）通信技術設計了一款智能井蓋系統，其使用LoRa技術進行通信，終端將監測到的數據發送到LoRa無線網關，無線網關收到數據后再上傳到云平臺，但LoRa技術需要部署網關節點并制定相應的協議棧，增加了開發成本。朱代先［6］和孫鋼燦［7］等分別提出使用窄帶物聯網（NB-IoT，narrow band internet of things）技術實現智能井蓋監測，此協議不需要部署網關節點，直接利用電信基站完成數據上報至服務器，但他們都沒有提到后期固件升級等維護方面的問題。

本文在利用NB-IoT技術通過電極溢水、浮球式等方式采集實現智能井蓋位置、姿態、電極溢水、水位等監測信息的同時，使用空中下載技術（OTA，over-the-air technology）對固件進行升級，并使用微服務架構完成監控系統服務端的開發，借助云平臺和移動終端等實現智慧井蓋的實時監測，從而提高管理效率，降低管理與維護成本。

1 總體設計

1.1 系統架構設計

以物聯網、云計算等為代表的新一代信息技術的廣泛應用，為智慧城市基礎設施的數字化管理提供了一個全新的平臺［8-9］。本文所設計的云上智能井蓋監控系統利用物聯網技術實現，物聯網技術一般由感知層、網絡層和應用層構成［10］。考慮到業務功能的多樣性、系統的復雜性，設計時從應用層中抽取出平臺層，利用微服務為應用層提供服務，應用層僅用于信息展示與用戶交互，如圖1所示。感知層由多個井蓋終端組成，用于完成井蓋位置、姿態、水位等數據采集工作，由NB模塊通過基站網絡將采集數據上傳至云平臺。平臺層提供終端數據的處理、設備的管理，用戶管理等監控管理工作，應用層負責將相關數據呈現在電腦或者移動端。為保證數據安全，所有數據存儲于本地的MySql數據庫服務中。

圖1 總體架構設計

1.2 系統功能介紹

本監控系統旨在利用信息技術提高城市的管理水平，有效排除因井蓋位移等因素造成的安全隱患。系統提供如圖2所示的功能。1）設備運營：利用井蓋終端進行實時數據采集，包括井蓋位置、井蓋姿態、水位和溢水等自身及環境監測數據，通過管理系統進行數據展示與預警提示；2）設備管理：設置管理哪些終端，查看終端是否聯網在線，對終端進行OTA 遠程升級管理；2）工單管理：根據監測預警信息，對位置發生偏移、水位超過閥值等的井蓋進行任務派發，運維人員利用移動APP 完成現場確認、處理及驗收等工作；4）設備巡檢：定期下發巡檢任務，由運維人員巡檢后，上報巡檢結果；5）系統管理：驗證用戶是否有權限登錄，管理員可對普通用戶進行角色權限設置。

圖2 系統功能結構圖

1.3 設計原則

1.3.1 終端的低功耗

終端系統設計遵循低功耗設計原則［11］，設計包括選擇本身具有超低功耗的微控制單元（MCU，microcontroller unit）、與MCU 工作電源相匹配的外圍器件，設計節省功耗的電源管理及低功耗的系統運行管理等。

1.3.2 監測的智能化

終端可以放在任何有網絡信號的地方，使其不受空間或者地域限制，通過對井蓋的狀態及井下的水位等狀態提供實時的監測，保證管理員不需到達現場便可以隨時查看狀態、及時掌握相關情況，并對其進行合理化管理，減少運維成本。

1.3.3 系統的健壯性

充分考慮系統可能面臨的異常情況，當終端等硬件發生故障、操作失誤以及輸入不符合規范的數據等異常情況下，系統能有針對性且合理的處理方式。

1.3.4 數據的安全性

系統要求能夠保證終端傳輸數據不被篡改，同時保證系統用戶信息、用戶權限、操作等多方面的安全要求，對密碼等敏感信息進行加密，且能夠及時處理安全漏洞，以提升安全性能。

1.3.5 功能的可擴展性

能夠在現有的硬件或軟件基礎上，以最小的影響進行功能擴展和能力提升。終端預留擴展槽以方便監測功能的擴展，終端系統留有升級接口和升級空間；監控系統設計時通過減少依賴和耦合等方式達到代碼擴展等擴展性需求。

2 系統硬件

2.1 主控制模塊

通過對項目功能和性能等方面需求進行分析，從成本價格、功耗情況及實用性等方面進行考慮，最終選擇國產低功耗藍牙MCU HS6621。HS6621 芯片擁有32 位ARM處理器，其最高主頻可達144MHz，在sleep模式下功耗僅為4μA。

終端整體硬件架構基于HS6621 MCU 進行電路設計，采用可擴展性設計，預留擴展口，支持擴展浮球式水位檢測、投入式水位檢測、溫濕度傳感器，氣體傳感器，GPS等功能，HS6621硬件設計方案框架如圖3所示。終端與服務器通信時，由MCU 充當透明傳輸，與NB-IoT 模塊直接進行通信。

圖3 HS6621硬件設計方案框架圖

2.2 NB-IoT模塊

NB-IoT是指窄帶物聯網技術，是一種新興技術，與ZigBee和LoRa等短距離無線通信技術相比，NB-IoT 具有明顯優勢［12］，它采用低功率廣域網絡（LPWAN，lowpower wide-area network）技術，成本低、功耗少，提供運營商頻段，不需要通過網關可直接將采集的數據上傳到云端，簡化現場部署。

本文NB 模組選用LCC 封裝的高新興物聯GM120 模組，其具有低速率、低功耗、遠距離和海量連接等特點。該模組支持TCP、UDP和OneNET 平臺等功能，可提供最大62.5kbps上行速率和21.25kbps下行速率，為與服務器的數據通信提供保障。硬件上，該模組采用XY100 芯片，提供2 個UART 接口、SIM／eSIM 接口、主天線接口等，設計時通過UART1串口與HS6621進行通信，NB 模組硬件電路如圖4所示。電路圖中，18號引腳WAKEUP＿IN默認高電平，當收到信號后，拉低此引腳喚醒模組，16號WAKEUP＿IN 用于喚醒主機信號，當收到下行數據后，可通過該信息發出提示。模組工作電壓范圍為3.1～4.2V之間，本項目選擇使用3.3V。

圖4 NB模組硬件電路圖

GM120主要有三種模式，分別為Connected mode正常工作模式、Idle mode空閑模式和PSM 省電模式。在PSM狀態下電流僅為700nA，為降低功耗，當HS6621進入待機模式時，會向NB模組發送關機脈沖，通知NB模組進入PSM 省電模式；當HS6621有數據需要上報時，給NB 模組發送喚醒指令，并將數據發送給NB模組由該模組進行數據上報，當數據發給云平臺后，如過一段時間還末收到HS6621發來的休眠指令，則自動進入PSM 模式。

2.3 姿態監控模塊

姿態監測主要利用設備重力加速度X、Y和Z三個方向的變化，計算井蓋與水平方向的夾角。3-axis Accelerometer STK8BA53芯片傳感器是一個±2g／±4g／±8g的三軸線性加速度，具有數字輸出（I2C）、0g偏移和增益誤差補償等功能，滿足功能需求。STK8BA53中的所有寄存器都可以通過I2C 總線訪問，I2C 總線有SCl（串行時鐘線）和SDA（串行數據線）兩種，SDA 是雙向數據線，用于接收和發送數據。SCl和SDA 均通過一個外部電阻上拉到VDD I／O，當傳感器檢測到數據發生變化時，通過I2C 發生中斷信號給MCU，MCU 處理數據后再由NB-IoT模塊上傳相應的結果。

2.4 電極溢水模塊

為減少功耗，有效地增長終端使用的壽命，設備出廠前處于滅活狀態，安裝時利用金屬導線，短路浸水電極后自動激活設備。激活后的終端，當井下水位上升溢出井蓋時，上報溢水警告。設計時在井蓋的底部，安裝兩個外漏的電極，此電極采用不銹鋼材質，另外加上防銹的鍍鎳工藝處理，保證不會銹蝕。電極溢水模塊硬件電路如圖5所示，當電極不導通時，WATER＿IN＿CON 電極一直處于低電平，MOS管處于不導通狀態，而WATER＿IN 信號連接到MCU 的GPIO17，因為被3V3＿WATER 電源拉高所以處于高電平狀態。當外部水或者把兩個電極短接起來后，WATER＿IN ＿CON 信號被拉高，使MOS 管導通，將WATER＿IN 信號位低使其處理低電平狀態，通過狀態變化通知MCU 外部電極短路或者進水。

圖5 電極溢水警告硬件電路圖

電極溢水警告設計提供設備激活和溢水警告兩個功能，MCU 通過判斷電極短接是滅活狀態下短接還是激活狀態下短接來進行激活或者判斷進水。為減少功耗，有效的增長終端使用的壽命，設備出廠前處于滅活狀態，安裝時利用金屬導線，短路浸水電極5s后斷開，當MCU 第一次接收到連續5s的低信號，就可以自動激活設備了，并配合APP進行設置和報裝操作，完成設備激動功能。在激活狀態下，當井下水位上升或溢出井蓋時，水直至接觸到設備外殼電極水位感應，電極間通過水短路，此時感應電路給MCU 發出中斷信號，設備將在10s內，通過NB 模組上報水位滿溢數據至云平臺。當井下水位下降，直至脫離外殼電極水位感應區域時，電極之間就會形成開路，MCU 將會檢測到此電路的邊或轉變為信號，設備將在1分鐘內，上報水位恢復數據至云平臺。通過后臺同步把報警以及水位恢復信息傳送至軟件平臺，使用戶在第一時間掌握井內水位狀況，到達了實時監控井內水位狀況。

2.5 浮球式水位告警模塊

考慮到不同地域可能對水位要求不一樣，設計浮球式水位告警器監測井內水位狀況，工作原理如圖6所示。當井下水位未上升到超限位置時，浮球開關處于常閉觸點狀態，不會觸發MCU 中斷；當水位上升到超限位置時，浮球翻轉觸動開關變為常開觸點位置，此時MCU 收到中斷信號，MCU 通過NB模組向云平臺發出告警；當水位下降低于超限位置時，浮球中的開關恢復到常閉觸點，中斷解除，MCU 通過NB向平臺發送水位告警解除信號。

圖6 浮球式開關設計原理

浮球開關的設計結構簡潔，電路實現簡單，可通過安裝的高度自行設置報警水位高度，即根據線纜吊裝調整浮球的高度實現。如要求水位離井蓋還有3m 時報警，可把浮球吊裝到離井蓋3m 的位置，如要求2m 時報警，則調整高度即可。

3 系統軟件

3.1 終端軟件

終端軟件功能主要包括開機初始化、采集井蓋的位置、姿態及水位等各類數據信息、上報監測數據到OneNET 云平臺及執行云平臺發送的相關命令等［13］。

使用短路浸水電極方式開機后，NB 模組進入初始化，為降低功耗，波特率設置為9 600bit／s。單片機通過AT 向URAT2口發送命令檢測NB模組工作狀態是否就緒，其主要檢測順序及命令有：復位NB模組AT＋NRB，獲取信號強度AT＋CSQ，獲取IMEI號AT＋CGSN，查詢查詢IMSI號AT＋CIMI，獲取IP 地址AT＋CGPADDR。在檢測狀態時SIM 卡可能還未初始化完成，此時就不能繼續向下執行，至到所有狀態就緒后才可以上報監測數據，例如，狀態監測時認為信號強度小于20為不合格信號，需要使用循環重新獲取直到信號強度達到20以上。

數據采集主要包括井蓋位置信息、姿態數據、電極溢水及水位告警等信息，姿態告警監測功能數據處理流程如圖7所示。當STK8BA53傳感器通過I2C 發生中斷信號給MCU 后，MCU 喚醒開機并根據加速度分量值計算出角度值，如果角度值小于等于15°則不進行告警，如果角度小于等于60°，MCU 通過NB-IOT 向物聯網平臺發送撬井告警信號，如果角度大于60°，MCU 通過NB-IOT 向物聯網平臺發送開井告警信號。另外，在井蓋的姿態監測過程中，利用標準差，通過濾波、算法處理來判定井蓋是否發生了異常。設備每監測到一次異常狀態，將對震動計數器加1，并周期性通過心跳數據包上報至OneNET 云平臺。

圖7 姿態數據處理流程圖

與OneNET 云平臺交互時，考慮數據傳輸的可靠性，采用發布／訂閱模式的 “輕量級”MQTT 異步通信協議［14-15］，與TCP協議相比，它還具傳輸開銷小且對網絡帶寬要求低等優點。當傳感器檢測到數據發生變化或硬件變化時給MCU 發出中斷信號，MCU 收到中斷信號后根據不同的中斷進行相應的處理，處理后的數據由NB-IoT 模組發送給云平臺，以方便管理人員隨時查看，之后若沒有其它事件需要處理，MCU 自動進入超低功耗休眠狀態。相應的，管理人員也可以通過云平臺發送信號給NB 模組，NB模組接收到信號后再發送給MCU 并執行相應指令。

3.2 系統管理軟件

系統軟件主要提供電腦端和移動終端APP兩部分，開發時為減少代碼的耦合，采用前后端分離技術進行開發［16］。后端主要處理業務邏輯問題，利用SpringBoot＋Mybaits技術，定義統一restful風格的API接口為前端提供服務，并通過Json數據格式進行交互。前端主要用于頁面樣式的顯示及動態數據的解析與渲染，PC 端使用雙向數據綁定的Vue技術［17］，并借助ElementUI和Echarts完成頁面設計和數據可視化，移動APP 則利用加載速度更快的Uni-app進行開發與打包?？紤]到監控系統后期的功能擴展與維護，后端設計時使用微服務系統架構，將系統中的不同模塊拆分為用戶管理、數據分析、井蓋資產管理等多個不同服務，同時利用SpringSecurity＋JWT 單點登錄的方式進行認證與鑒權［18］。

3.2.1 訂閱消息格式定義

系統中使用的終端數據來自于OneNET 云平臺，服務端通過訂閱云平臺中設備連接的MQ 消息的topic來持續獲取終端數據，訂閱內容包括設備生命周期事件（設備的創建、刪除、上線和離線等記錄）及設備數據點事件。設備生命周期事件消息的定義如表1所示，設備數據點消息的定義格式如表2所示。同時服務端可通過調用云平臺API的方式實現對終端的命令下發。

表1 設備生命周期事件消息

表2 設備數據點事件消息

3.2.2 遠程OTA 升級

OTA 又叫空中下載技術，即通過空中無線方式實現設備固件升級［19-20］。目前支持OTA 的 有2G、3G、4G、WiFi、藍牙、NB-IoT、NFC和Zigbee等，使用固件空中升級可以修復產品缺陷、迭代產品升級，也有助于快速切入市場，降低整體開發成本。本文設計兩種固件的升級方式，一種是通過云平臺OTA 升級，另一種是通過藍牙進行升級。當設備需要進行批量升級時，可選擇云平臺OTA 升級，升級時需要設備處于在線狀態，并在云平臺上傳新的固件包，當設備監測到升級任務后便可進行在線升級。

遠程升級過程主要分五步，如圖8 所示。第一步，終端上報固件的版本信息；第二步根據版本信息，選擇在oneNET云服務器創建升級任務并上傳升級包；第三步向服務器發送檢測升級任務請求；第四步下載升級包，并完成固件升級；第五步升級包升級完成后，向服務器上報升級狀態，其中201 表示升級完成。OTA 遠程升級主要通過API實現，實現時，先使用postman工具按照以上步驟驗證接口的可用性，設置請求參數并向oneNET 云服務器發送不同API請求，發送請求的url中需包含設備唯一編號等信息，然后根據響應結果判斷升級過程中的各種狀態。當API接口驗證成功后，再將API請求代碼添加到終端軟件，以實現遠程升級功能。固件升級完成后，利用手機端APP或者后臺運維平臺可以看到對應的設備信息和軟件版本，如圖9所示。

圖8 云平臺OTA 升級流程圖

圖9 終端版本信息查詢

3.2.3 監控管理系統

管理系統主要提供井蓋資產管理、實時定位監測、防盜監管、報警聯動、鑒權設置、數據分析、工單管理、設備巡檢、智慧大屏展示等功能。智能井蓋編碼采用國際標準化IMEI號碼編碼的方式進行唯一編碼，并通過獲取其所在的經緯度、所在道路等信息方便快速掌握其安裝情況及實時監測井蓋的狀態，井蓋的基本狀態包括：正常、異常、低電、維修和閉合異常。當井蓋出現異常后，系統向管理人員及相關負責人的手機等客戶端發送報警信息，管理人員可根據不同的報警信息安排相應的部門進行維護處理，通過操作PC或者移動APP終端進行任務查詢，派遣工單，下發任務，完成狀況查詢，確認驗收。通過對系統中采集的數據進行重組、匯總及對比分析后，利用智能大屏的形式將井蓋監測的實時狀況展現出來，將管理信息可視化，簡單化，透明化。

4 實驗結果與分析

本文的測試主要針對終端硬件與系統軟件功能等進行測試，各項測試表明，終端硬件符合設計要求，軟件系統運行穩定且可靠，功能齊全，人機交互良好，終端與系統可正常通信，能達到實時監控的目的。

4.1 終端硬件

終端在硬件測試時，主要利用高精度數字電表、萬用表、示波器等儀器根據硬件設計要求進行測試。結果表明，時鐘震蕩電路、Uart和I2C 的信號時序及電源紋波等均符合硬件設計要求，其中整機功耗為98.25μA，符合低功耗需求，各模塊功耗測試結果如表3所示。根據終端使用的ER26500型號電池19AH 進行計算，其理論使用壽命可達7年以上，能達到超長待機的目的。

表3 終端功耗測試表

4.2 系統軟件

系統軟件功能測試時進行實際場景下的測試，終端按產品要求安裝在井蓋底部，如圖10所示，服務器選擇使用的硬件環境為：Centos7.18操作系統，16G 內存，1T 硬盤i7處理器。

圖10 井蓋實測安裝環境

通過井蓋的姿態變化測試監控功能的實時性和有效性。井蓋原始狀態為正常，接著對井蓋進行撬動，觀察軟件顯示結果，如圖11所示。當井蓋撬動打開時，終端會采集井蓋的姿態狀態并經過NB-IoT通信模塊發送給云服務器，服務器經解析后實時發出預警信息并由前端進行提示，姿態預警顯示與實際狀態相符合，可以達到實時監控的作用。

圖11 井蓋打開時實時預警提示

移動終端使用藍牙連接井蓋終端后，將固件版本從s1.2升級到s1.4，可以升級成功，遠程升級后終端新版本固件可正常使用。利用APP 查看固件版本及電量等信息，如圖9所示。

測試人員聯動運維人員并配合移動APP，分別從權限控制、工單管理、設備巡查和統計分析等方面進行測試軟件的管理功能。通過測試，軟件管理功能齊全，人機交互良好，和預期效果基本一致。軟件的可視化管理，為管理者的決策提供一定的參考價值，終端在維護過程通過上傳現場照片等操作，可做到設備的全過程監督，有效地提高信息化管理水平。

5 結束語

本文利用NB-IoT 窄帶物聯網技術、OTA 空中下載技術及Web開發技術等，設計并實現了云上智能井蓋監控系統。該系統能夠對井蓋位置、姿態及井下水位等狀態進行實時監測，一定程度上預防了井蓋異常、溢水等造成的安全隱患。通過任務查詢、工單派遣、驗收確認等功能，有效提高了管理效率，降低了管理成本。利用OTA 遠程固件升級，自動更新固件版本，可降低終端后期維護成本。本監測系統解決了井蓋導致的安全隱患問題及管理難等問題，提高了信息化管理水平，為智慧管網、智能水務、智慧洪澇管理和智慧消防等固件維護等方面提供了很好的借鑒，為智慧城市規劃建設起到積極作用。