基于NB-IoT 无线远程通信技术的井下监测系统设计

张瀚，邱灿树，文建鹏，何君如

（广东电网有限责任公司潮州供电局，广东潮州 521000）

随着城市建设的不断加快，城市覆盖面积逐渐增大，井盖等基础设施的数量迅速增加，由于井下甲烷浓度过高或有毒气体增加等原因，井盖爆炸事故时有发生，给人们的生产生活带来极坏的影响，为提升井盖等基础设施的安全性，市政部门对城市水利水电、能源燃气、通信电力等方面进行了集中管理与完善，加大对井盖的巡查力度，加强对井盖的维护[1]。随着互联网技术的快速发展，单靠人力对井盖进行巡查，监测效果较低，为此国内的专家学者们展开了相关的研究。

文献[2]提出基于ZigBee 无线通信技术的井下监测系统，通过传感器将井下气体浓度等数据通过ZigBee 组网传输到网络终端，利用RS232 总线与通信终端进行通信，由此实现对窖井盖的远程监测，但该系统对窖井盖的监测精度低，且针对井盖存在的风险没有进行及时警报。文献[3]提出基于电力线通信的井下监测系统，采用STM32F103 作为微控制器，采集井下安全隐患气体指标，利用电力线载波芯片ST7540 实现数据传输，完成井下安全状态的实时监控，该系统虽在一定程度上实现了井盖的管理与监测，但系统稳定性较差。

为了解决以上问题，该文设计了基于NB-IoT 无线远程通信技术的井下监测系统。

1 系统硬件设计

1.1 控制模块设计

控制模块的主控芯片采用了军工级32 位超低功耗、高性能的MCU，该主控芯片的工作频率为64 MHz，可与传感器进行数据传输，内核为RISC 内核，整机休眠待机电流为3 mA，抗老化、耐腐蚀，可对电磁进行干扰，在井下可持续稳定工作，同时内部设有Flash存储器，存储空间可为512 kB 字节，此外，控制模块具有两个16 位定时器、两个8 位的ADC、若干I/O 端口、三个SPI接口、一个UART接口、一个USB接口[4-5]。控制模块如图1 所示。

图1 控制模块

根据图1 可知，主控芯片主要将传感器采集的井下甲烷浓度数据、液位数据、压力与位移数据等进行打包，然后传输给NB-IoT 通信模块，控制模块中的ADC 接收到指令后，退出PSM 状态，进入控制模式。

1.2 传感器模块设计

传感器模块主要负责采集井下水位变化数据、井盖压力数据、有毒有害气体浓度数据、井盖偏移数据，因此传感器模块需要四种传感器，四种传感器分别为液位传感器、压力传感器、甲烷传感器与三轴加速度传感器。

液位传感器的型号为压差式液位传感器TD-183，当井下水位变化时，液位传感器采集水位变化数据，并以电压差的形式进行监测。

压力传感器主要采集井盖的压力数据，当井盖被沙子、汽车等物体长期挤压时，会对井盖造成一定的损伤，从而降低井盖的寿命，压力传感器通过数据转换形式采集完井盖的实时压力数据后，将其通过I2C 通信方式进行传输[6-7]。

甲烷传感器的工作原理：当甲烷传感器检测出井下存在有毒有害气体时，会产生一定大小的电流，将电流信号通过I/O 端口进行输出，一旦井下有毒有害气体浓度上升时，I/O 端口的电流值将增大，再利用A/D 转换对电流值进行检测，测出有毒有害气体浓度。

采用三轴加速度传感器监测井盖的位移或者是否发生异常振动情况，采用ADTK632 型三轴加速度传感器，该传感器具有休眠与工作两种模式，当加速度传感器检测到井盖位移发生变化时，将位移变化数据与标准位移进行对比，如果检测到的位移数据较大，三轴加速度传感器会转化为工作模式，如果位移数值符合标准，则传感器进行休眠模式[8-9]。

1.3 NB-IoT通信模块设计

NB-IoT 通信模块主要负责将传感器模块采集的水位数据、有毒有害气体浓度数据、压力数据、位移数据以无线远程通信的方式发送到井盖报警器。NB-IoT 通信模块包括NB 卡卡座、多个通信串口、电路开关、滤波天线等，该NB-IoT 通信模块采用LCC进行封装，与传感器模块以UART 接口进行通信，该模块工作电压为3.3 V，瞬时电压为4.8 V，根据传感器模块的休眠与工作模式可对功耗进行调整。当传感器模块将井盖相关数据传输过来后，控制模块给NB-IoT 通信模块发送指令，使其打开无线通信模块，通过NB-IoT 无线网络发送至井盖报警模块的服务器上，发送完成后进入待机模式，等待控制模块的下一次唤醒[10-11]。

1.4 井盖报警模块设计

井盖报警模块主要根据NB-IoT 通信模块传输的井盖数据向监测终端发送报警信息。井盖报警模块包括井盖报警器、报警LED灯、蜂鸣器，井盖报警器的工作频率为3.6 GHz，功耗较低，当NB-IoT 通信模块将井盖数据发送过来后，控制模块将报警模块唤醒，使其进行工作模式，井盖报警器根据NB-IoT 发送的数据，发送报警信号，并控制LED 等进行闪烁[12-13]。

2 系统软件设计

井下监测系统的软件流程如图2 所示。

图2 井下监测系统的软件流程

监测系统初始化操作流程如下：对控制程序进行初始化，完成后，对主控芯片、各种接口、定时器、NB-IoT 通信程序、传感器、报警程序进行初始化，对传感器发送唤醒指令，使其进入工作模式，传感器模块开始根据定时器设定的时间进行采集，然后将采集完成的井盖压力数据、井下有毒有害气体浓度数据、井盖震动、位移数据、井下水位变化数据一并传输到NB-IoT 通信程序上，NB-IoT 通信程序将接收到的井盖相关数据与对应井盖的编码、位置等信息发送至井盖报警程序上[14]。井下水位变化计算公式为：

其中，Z为监测到的水位变化；α为监测参数；κ为监测次数；W表示监测的水质情况；A表示监测水深。

监测发送指令计算公式为：

其中，M为监测发送指令；T为监测时间。

然后，发送报警信息。井盖报警模块接收到NB-IoT 通信程序发送的井盖相关数据后，由控制程序向井盖报警程序发送鉴权指令，井盖报警程序接收到鉴权指令后，向控制程序发送反馈指令，这时说明控制程序与井盖报警程序连接成功，否则继续向报警程序发送指令，直至发送成功。连接成功后，报警程序进入工作模式，根据NB-IoT 通信程序发送的水位数据判断井下水位是否溢出，如果溢出，则发送报警信息1，没有溢出，发送报警信息0；根据井盖位移数据判断井盖位置是否超出标准，如果超出标准，发送报警信息1，没出超出标准，发送报警信息0；根据井下燃气浓度数据判断此时井下燃气浓度是否超标，如果超标，发送报警信息1，若没超出，发送报警信息0。监测终端接收报警信息，并控制报警程序进入休眠模式[15]。

最后，针对问题井盖进行实时定位与导航。监测终端接收报警信息后，巡检人员根据监测终端显示的问题井盖的位置信息、编码、井盖采集数据等，使用手机开启后台报警服务，向监测终端发送请求，监测终端对其进行响应后，巡检人员查询历史数据，对问题井盖进行地图定位与导航[16]。

3 实验研究

为了验证该文设计的基于NB-IoT 无线远程通信技术的井下监测系统的有效性，选用该文设计系统和文献[2]系统、文献[3]系统进行实验对比。

设定实验参数如表1 所示。

表1 实验参数

在监测过程中，井下通信监测系统将会受到干扰信号干扰，三种系统得到的监测稳定性实验结果如图3 所示。

图3 监测结果

观察图3 可知，文献[2]系统在受到干扰后，在0.4 s 时，系统电压出现了崩溃，电压值开始、大幅度地波动，稳定性极差，崩溃结果难以控制。文献[3]系统在受到干扰后，0.8 s 后，电力系统的运行状态也基本呈现崩溃状态，监测系统内部电压趋于极值，电压稳定性问题十分突出。该文提出的系统所受影响最小，在运行时间为0.8 s 后，系统出现了电压波动，电压值大幅度增加，这种状态维持到1.8 s，1.8 s 后电压波动得到有效控制，电压再次回归到相对稳定的状态。

分析上图监测过程的电压稳定性，可知三种系统在受到干扰的状况下，监测状态都会受到影响，并出现波动，传统的两种监测系统在受到外界干扰后，都出现了电压崩溃的状态，监测能力较差，难以实现精准监测。该文研究的系统虽然也出现了较大幅度的波动，但是在短时间内得到控制，运行状态相对较好。

在确定三种监测系统受干扰状态下的监测能力后，对监测系统的数据丢失率进行分析。

根据图4 可知，随着监测电压的增加，数据丢失率也在不断下降，该文系统在电压为0.48 V 时，监测系统数据丢失率已经为0，然而文献[2]系统在电压为0.59 V时，监测系统数据丢失率才能达到0，文献[3]系统电压为0.63 V 后，监测系统数据丢失率才完全没有。

图4 监测系统数据丢失率

由此可见，该文提出的监测系统能够快速实现数据不丢失，整体监测能力都要优于传统系统。

4 结束语

为了对井盖进行集中管理与维护，设计了基于NB-IoT 无线远程通信技术的井下监测系统，通过设计的监测系统，实现了对城市井盖的管理与维护，减少了井盖维修人员的劳动量，降低了井盖爆炸事故与“井盖吞人”发生的概率，能够为维护人们的生命财产安全作出一定贡献。