文章信息
- 王洪辉, 卓天祥, 魏超宇, 邹定康, 钟盼
- WANG Honghui, ZHUO Tianxiang, WEI Chaoyu, ZOU Dingkang, ZHONG Pan
- 地质灾害监测NB-IoT数据传输系统研制
- Development of NB-IoT-based data transmission system for geological hazard monitoring
- 中国测试, 2019, 45(5): 121-127
- CHINA MEASUREMENT & TEST, 2019, 45(5): 121-127
- http://dx.doi.org/10.11857/j.issn.1674-5124.2018100078
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文章历史
- 收稿日期: 2018-10-24
- 收到修改稿日期: 2018-11-16
2. 成都理工大学核技术与自动化工程学院,四川 成都 610059
2. College of Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
近年来,我国西南地区地质灾害频发,其中突发性的崩塌、滑坡、泥石流因发生时间短、隐蔽性强,造成了重大人员伤亡和经济损失[1]。随着无线通信技术的发展,低成本、低功耗、高速率、多数据方式的无线传输手段,逐渐在工业应用并取得成效。采用无线通信技术进行地质环境监测,其数据采集参数更全面、响应速度快、可靠性更高,节约人力物力,有利于对地质灾害进行有效预警和防治[2-3]。
地质灾害监测设备安装于野外现场,气象条件和地理环境相对恶劣,如供电不足、通信不畅,对无线数据传输系统都是极大考验。传统监测系统采用2G/3G/4G传输居多[4],也有采用北斗短报文传输的案例[5-6],总体来看,上述传输方式资费较高、耗电大(如GSM模块网络注册电流高达2 A)。
根据华为公司估计,以环境监测、远程抄表、智能停车等应用为代表的长距离、低速率、低功耗场景为物联网的主要应用场景,将占到物联网总连接数的60%。窄带物联网(narrow band-Internet of things,NB-IoT)属于低功耗广域物联网技术,具有广覆盖、低功耗、支持海量连接的特点,是适用于上述场景的主流技术之一[7]。
为了适应大量的低功耗应用场景,NB-IoT提供了3种工作模式,如表1所示。对于地质灾害监测,可使用PSM省电模式,极大降低系统功耗。
我国已出台多项政策支持NB-IoT的发展,在智慧照明、智慧水务、智慧停车等下游细分应用市场落地[8-12],但整体而言NB-IoT商业模式尚未成熟[13]。目前还未见NB-IoT与地质灾害交叉应用的研究成果报道。因此,本文通过系统设计和应用测试,探究NB-IoT在地质灾害监测预警领域的适应性和可行性,为我国地质灾害防灾减灾提供一种新的解决方案,促进学科交叉研究落实到实际应用场景。
1 系统总体设计针对地质灾害监测的特点,设计了一种基于NB-IoT的监测数据传输系统,如图1所示,包括传感器信息采集、主控板、通信单元、供电4部分。
1.1 信息采集
通过传感器将地质环境变化的信息转换成电信号,经信号调理电路传入单片机中,实现地质灾害前兆信息的采集。本系统采用了地表位移和降雨量两个参数进行测试,其器件选型如表2[14]所示。
名称 | 型号 | 技术指标 | 接口 |
位移传感器 | MPS-S-V | 分辨率1 mm, 可变行程1000 mm |
模拟0~5 V |
雨量计 | SRY-1 | 分辨率0.01 mm, 量程0.1~7 mm/min |
数字脉冲 |
注:1) 直接使用了作者已发表文献成果,读者可参阅相关文献。 |
1.2 主控板
主控板用于采集传感器数据,也用于与通信单元的数据传输。本系统采用资源相对丰富、处理性能也相对较强的STM32单片机(STM32F103)。考虑到野外设备检修需要,主控板设计了一个LCD显示屏(HB12864),通过UART与单片机(串口1)通信,实现位移、雨量等信息的实时显示。在正常使用时,可去掉显示屏以降低系统功耗,在检修时使用显示屏用于快速排查故障。
1.3 通信单元NB-IoT模块采用了上海移远公司的BC95模组,通过UART与主控板单片机(串口2)进行指令和数据交互。主控板根据用户控制策略,将采集的地质灾害监测数据发送至预警平台服务器,其通信链路如图2所示。
以选择中国电信运营商为例,NB-IoT通信模块想要完成数据的上传必须经过中国电信物联网平台,经过中转后再由电信平台的订阅服务发送到指定的Java Web监测平台。
2 硬件设计 2.1 处理器模块本文采用意法半导体公司推出的STM32F103系列微处理器作为地质灾害监测系统的主控制器,该处理器是一款32位的ARM-M体系结构的高性能处理器,最大支持1 024 KB的闪存和96 KB静态存储内存,使用8 MHz晶振,经过芯片内部9倍频后最高运算频率可达72 MHz,具有16~1 024 KB的存储空间支持实现多方面的应用需要[15]。
具备3路SPI接口、2路IIC接口、3路USART和2路UART接口等通信接口,丰富的片内资源充分满足了本设计的需要,实物如图3所示。
2.2 电源模块
在野外地质灾害监测中,每一个独立系统和模块都需要供电,若仅使用普通电池无法满足系统的长时间运行,本系统采用锂聚合物电池与太阳能电池板混合供电,各模块需要提供不同种类的电源进行供电,如表3所示。
模块名 | 电压 | 电源芯片 | 技术指标 |
传感器 | 5 V | LM2596 | 稳压 |
通信单元 | 5 V | MIC29302WU | 大电流低压差(典型值
370 mV),满足通信要求 |
单片机、LCD | 3.3 V | AMS1117-3.3 | 5 V转3.3 V |
2.3 NB-IoT通信模块
本系统采用的BC95-B5是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模组,工作于850 MHz,支持中国电信NB卡接入。由其构成的通信单元主要包括电源、天线、SIM卡座、单片机通信接口,其电路原理图如图4所示,实物如图5所示。
3 单片机控制程序设计 3.1 程序模块划分
系统单片机控制程序可分为数据采集模块程序、传输模块程序、人机接口程序(见图6)。考虑到数据采集、人机接口程序在已发表的文献中介绍很多,本文着重对NB-IoT的传输控制程序进行阐述。
3.2 NB-IoT传输控制程序设计 3.2.1 CoAP协议
NB-IoT作为物联网和M2M的应用通信模块,属于有限计算能力和少量内存空间的资源受限型设备,使用带有重传事务处理机制的约束应用协议(constrained application protocol,CoAP),能使NB-IoT设备得到可靠的传输保障。CoAP协议是一种面向网络的协议,使用了和超文本传输协议相似的特性,其核心内容包括可扩展的头选项、资源抽象、REST式交互等。想要像超文本传输协议对资源进行GET、PUT、POST和DELETE等操作,只需让应用程序通过URI标识来获取服务器上的资源即可。
图7所示为CoAP协议栈。第一层为请求/响应层(request/response layer)用于传输操作命令的请求和响应数据;第二层为事务层(transaction layer),该层可以用于实现各个节点间的信息传输互换,同时还可以提供信息交互时堵塞控制和组播等功能。CoAP的双层处理方式,让CoAP协议尽管没有采用3次握手的TCP协议,也可以支持可靠的传输机制[16]。
3.2.2 中国电信物联网平台配置
中国电信物联网平台是中国电信针对物联网建立的一个服务平台,用户可通过电信物联网NB卡将数据信息通过NB-IoT设备上传至该平台。平台可以完成多个NB-IoT终端的综合管理,同时向第三方应用平台开放接口,让平台数据可转发至开发者自己的Web服务器,以构建行业物联网业务。中国电信物联网平台使用时,需要对平台进行配置,包括数据应用添加、profile开发、编解码插件的开发等,读者可参阅相关技术手册。
3.2.3 终端设备注网终端设备注册网络需要经过14步,如图8所示。
3.2.4 数据发送
为了便于平台对不同设备(NB、4G或其他)的识别,需要定义统一的数据格式,如图9所示。
该格式由78位字符串组成,第19位到第26位表示设备号,第36位到第41位表示传感器类型(rain降雨、dist位移、angl角度),第55位到第59位表示传感器的数据(单位分别为mm、mm、(°)),第75位到78位表示接收间隔时间(单位为min)。
在上述数据格式下,数据发送需经过9步,如图10所示。
对于NB-IoT设备,采用的是CoAP协议,只能将16进制的码流传输到CDP服务器上,所以必须将字符串格式变为ASCII码(图10中Step 9所示),发送到中国电信物联网平台上,再由电信平台将数据转发至开发者的Web服务器。
4 系统测试 4.1 测试原型机本系统设计的原型机(编号CUT-X-NB-01)内置STM32单片机、NB-IoT通信单元(中国电信NB物联网卡年费20元)、4G通信单元(本次测试不用)、传感器接口、电源及人机接口(如图11所示)。
4.2 测试数据 4.2.1 设备现场安装
在四川省绵阳市某泥石流监测预警站对CUT-X-NB-01设备进行了测试。选取了6个监测点位(见图12),其NB通信信号强度如表4所示,信号质量较好(D点稍微弱一点)。
4.2.2 平台数据展示
用户可登录中国电信物联网平台(或自有平台),查看已接入平台的设备监测数据(见图13)。测试显示2018年5月17日10:24:09位移数据为104.2 mm,10:44:50位移数据为125.8 mm,依次缓慢增加,10:47:57时刻位移数据为144.7 mm,表明监测数据可以顺利进入物联网平台。
4.2.3 系统功耗测试
为了评估系统在数据发送时的功耗,在室内用测试仪器(优利德台式万用表UT804)进行了测试(系统处于连续发送数据状态)。结果为:系统外接5 V电源供电,NB在连续数据发送时的电流为146.36 mA(见图14)。
5 结束语
本文设计了一种基于NB-IoT的地质灾害监测数据传输系统,采用国产BC95物联网模组,通过接入中国电信物联网平台服务,实现了地质灾害监测信息的低成本、低功耗、远程传输。经过在四川省某泥石流监测现场进行应用测试,表明所设计的系统能够稳定传输监测数据,为我国地质灾害监测预警提供了一种新的数据传输方案,也拓宽了NB-IoT的应用领域。
需要指出的是,经过数十年广大科技工作者和工程技术人员的努力,我国地质灾害监测预警的能力得到了很大的提升,灾害预警效果也愈发明显。但是,近年发生的几起重大地质灾害事件(如2017新磨村滑坡[17]、2018金沙江白格滑坡—堰塞湖)显现出我国地质灾害监测预警工作仍需加强,特别是开展交叉学科研究,将最新计算机技术、物联网技术、通信技术等与工程地质、岩土工程学科相结合,定能催生出一批新型、实用的地质灾害监测预警新技术。
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