地質災害監測NB-IoT數據傳輸系統研制

王洪輝 卓天祥 魏超宇 鄒定康 鐘盼

摘要：為解決傳統地質災害監測采用2G/3G/4G及其他無線技術存在的耗電大、費用高、網絡盲區等問題，該文設計基于NB-IoT的地質災害監測數據傳輸系統架構。通過STM32單片機采集位移傳感器、雨量計等傳感數據，基于中國電信物聯網平臺，將地質災害數據以規定的格式通過BC95通信模塊上傳至Java Web平臺，實現監測數據的遠程傳輸。系統在四川省綿陽市某泥石流監測預警站進行測試。結果表明：預警站雖處西南山區，但NB網絡覆蓋良好，設計的NB-IoT數據傳輸系統數據傳輸穩定、功耗低（電壓5V，持續數傳電流146.36mA，省電模式電流5μA）、成本低（單點年費20元），為地質災害監測遠程數據傳輸提供新的解決方案，也可拓展NB-IoT的應用領域。

關鍵詞：NB-IoT;低功耗;地質災害監測;BC95模塊

中圖分類號：TN929.5;TH764 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0121-07

收稿日期：2018-10-24;收到修改稿日期：2018-11-16

基金項目：國家自然科學基金（41704130）;四川省重點研發計劃項目（2018SZ0347）;四川省大學生創新創業訓練計劃項目（201710616149）

作者簡介：王洪輝（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，碩士生導師，博士，主要從事地質災害監測預警與信息技術研究。

0 引言

近年來，我國西南地區地質災害頻發，其中突發性的崩塌、滑坡、泥石流因發生時間短、隱蔽性強，造成了重大人員傷亡和經濟損失[7]。隨著無線通信技術的發展，低成本、低功耗、高速率、多數據方式的無線傳輸手段，逐漸在工業應用并取得成效。采用無線通信技術進行地質環境監測，其數據采集參數更全面、響應速度快、可靠性更高，節約人力物力，有利于對地質災害進行有效預警和防治[2-3]。

地質災害監測設備安裝于野外現場，氣象條件和地理環境相對惡劣，如供電不足、通信不暢，對無線數據傳輸系統都是極大考驗。傳統監測系統采用2G/3G/4G傳輸居多[4]，也有采用北斗短報文傳輸的案例[5-6]，總體來看，上述傳輸方式資費較高、耗電大（如GSM模塊網絡注冊電流高達2A）。

根據華為公司估計，以環境監測、遠程抄表、智能停車等應用為代表的長距離、低速率、低功耗場景為物聯網的主要應用場景，將占到物聯網總連接數的60%。窄帶物聯網（narrow band-Internet of things，NB-IoT）屬于低功耗廣域物聯網技術，具有廣覆蓋、低功耗、支持海量連接的特點，是適用于上述場景的主流技術之一[7]。

為了適應大量的低功耗應用場景，NB-IoT提供了3種工作模式，如表1所示。對于地質災害監測，可使用PSM省電模式，極大降低系統功耗。

我國已出臺多項政策支持NB-IoT的發展，在智慧照明、智慧水務、智慧停車等下游細分應用市場落地[8-12]，但整體而言NB-IoT商業模式尚未成熟[13]。目前還未見NB-IoT與地質災害交叉應用的研究成果報道。因此，本文通過系統設計和應用測試，探究NB-IoT在地質災害監測預警領域的適應性和可行性，為我國地質災害防災減災提供一種新的解決方案，促進學科交叉研究落實到實際應用場景。

1 系統總體設計

針對地質災害監測的特點，設計了一種基于NB-IoT的監測數據傳輸系統，如圖1所示，包括傳感器信息采集、主控板、通信單元、供電4部分。

1.1 信息采集

通過傳感器將地質環境變化的信息轉換成電信號，經信號調理電路傳入單片機中，實現地質災害前兆信息的采集。本系統采用了地表位移和降雨量兩個參數進行測試，其器件選型如表2^[14]所示。

1.2 主控板

主控板用于采集傳感器數據，也用于與通信單元的數據傳輸。本系統采用資源相對豐富、處理性能也相對較強的STM32單片機（STM32F103）?？紤]到野外設備檢修需要，主控板設計了一個LCD顯示屏（HB12864），通過DART與單片機（串口1）通信，實現位移、雨量等信息的實時顯示。在正常使用時，可去掉顯示屏以降低系統功耗，在檢修時使用顯示屏用于快速排查故障。

1.3 通信單元

NB-IoT模塊采用了上海移遠公司的BC95模組，通過UART與主控板單片機（串口2）進行指令和數據交互。主控板根據用戶控制策略，將采集的地質災害監測數據發送至預警平臺服務器，其通信鏈路如圖2所示。

以選擇中國電信運營商為例，NB-IoT通信模塊想要完成數據的上傳必須經過中國電信物聯網平臺，經過中轉后再由電信平臺的訂閱服務發送到指定的Java Web監測平臺。

2 硬件設計

2.1 處理器模塊

本文采用意法半導體公司推出的STM32F103系列微處理器作為地質災害監測系統的主控制器，該處理器是一款32位的ARM-M體系結構的高性能處理器，最大支持1024KB的閃存和%KB靜態存儲內存，使用8MHz晶振，經過芯片內部9倍頻后最高運算頻率可達72MHz，具有16-1024KB的存儲空間支持實現多方面的應用需要[15]。

具備3路SPI接口、2路IIC接口、3路USART和2路UART接口等通信接口，豐富的片內資源充分滿足了本設計的需要，實物如圖3所示。

2.2 電源模塊

在野外地質災害監測中，每一個獨立系統和模塊都需要供電，若僅使用普通電池無法滿足系統的長時間運行，本系統采用鋰聚合物電池與太陽能電池板混合供電，各模塊需要提供不同種類的電源進行供電，如表3所示。

2.3 NB-IoT通信模塊

本系統采用的BC95-B5是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模組，工作于850MHz，支持中國電信NB卡接入。由其構成的通信單元主要包括電源、天線、SIM卡座、單片機通信接口，其電路原理圖如圖4所示，實物如圖5所示。

3 單片機控制程序設計

3.1 程序模塊劃分

系統單片機控制程序可分為數據采集模塊程序、傳輸模塊程序、人機接口程序（見圖6）?？紤]到數據采集、人機接口程序在已發表的文獻中介紹很多，本文著重對NB-IoT的傳輸控制程序進行闡述。

3.2 NB-IoT傳輸控制程序設計

3.2.1 CoAP協議

NB-IoT作為物聯網和M2M的應用通信模塊，屬于有限計算能力和少量內存空間的資源受限型設備，使用帶有重傳事務處理機制的約束應用協議（constrained application protocol，CoAP），能使NB-IoT設備得到可靠的傳輸保障。CoAP協議是一種面向網絡的協議，使用了和超文本傳輸協議相似的特性，其核心內容包括可擴展的頭選項、資源抽象、REST式交互等。想要像超文本傳輸協議對資源進行GET、PUT、POST和DELETE等操作，只需讓應用程序通過URl標識來獲取服務器上的資源即可。

圖7所示為CoAP協議棧。第一層為請求鄺向應層（request/response layer）用于傳輸操作命令的請求和響應數據;第二層為事務層（transaction layer），該層可以用于實現各個節點間的信息傳輸互換，同時還可以提供信息交互時堵塞控制和組播等功能。CoAP的雙層處理方式，讓CoAP協議盡管沒有采用3次握手的TCP1辦議，也可以支持可靠的傳輸機制[16]。

3.2.2 中國電信物聯網平臺配置

中國電信物聯網平臺是中國電信針對物聯網建立的一個服務平臺，用戶可通過電信物聯網NB卡將數據信息通過NB-IoT設備上傳至該平臺。平臺可以完成多個NB-IoT終端的綜合管理，同時向第三方應用平臺開放接口，讓平臺數據可轉發至開發者自己的Web服務器，以構建行業物聯網業務。中國電信物聯網平臺使用時，需要對平臺進行配置，包括數據應用添加、profile開發、編解碼插件的開發等，讀者可參閱相關技術手冊。

3.2.3 終端設備注網

終端設備注冊網絡需要經過14步，如圖8所示。

3.2.4 數據發送

為了便于平臺對不同設備（NB、4G或其他）的識別，需要定義統一的數據格式，如圖9所示。

該格式由78位字符串組成，第19位到第26位表示設備號，第36位到第41位表示傳感器類型（rain降雨、dist位移、angl角度），第55位到第59位表示傳感器的數據（單位分別為mm、mm、（°）），第7s位到7s位表示接收間隔時間（單位為mm）。

在上述數據格式下，數據發送需經過9步，如圖10所示。

對于NB-IoT設備，采用的是CoAP協議，只能將16進制的碼流傳輸到CDP服務器上，所以必須將字符串格式變為ASCII碼（圖10中Step9所示），發送到中國電信物聯網平臺上，再由電信平臺將數據轉發至開發者的Web服務器。

4 系統測試

4.1 測試原型機

本系統設計的原型機（編號CUT-X-NB-O1）內置STM32單片機、NB-IoT通信單元（中國電信NB物聯網卡年費20元）、4G通信單元（本次測試不用）、傳感器接口、電源及人機接口（如圖11所示）。

4.2 測試數據

4.2.1 設備現場安裝

在四川省綿陽市某泥石流監測預警站對CUT-X-NB-01設備進行了測試。選取了6個監測點位（見圖12），其NB通信信號強度如表4所示，信號質量較好（D點稍微弱一點）。

4.2.2 平臺數據展示

用戶可登錄中國電信物聯網平臺（或自有平臺），查看已接入平臺的設備監測數據（見圖13）。測試顯示2018年5月17日10：24：09位移數據為104.2mm，10：44：50位移數據為125.8mm，依次緩慢增加，10：47：57時刻位移數據為144.7mm，表明監測數據可以順利進入物聯網平臺。

4.2.3 系統功耗測試

為了評估系統在數據發送時的功耗，在室內用測試儀器（優利德臺式萬用表UT804）進行了測試（系統處于連續發送數據狀態）。結果為：系統外接5V電源供電，NB在連續數據發送時的電流為146.36mA（見圖14）。

5 結束語

本文設計了一種基于NB-IoT的地質災害監測數據傳輸系統，采用國產BC95物聯網模組，通過接人中國電信物聯網平臺服務，實現了地質災害監測信息的低成本、低功耗、遠程傳輸。經過在四川省某泥石流監測現場進行應用測試，表明所設計的系統能夠穩定傳輸監測數據，為我國地質災害監測預警提供了一種新的數據傳輸方案，也拓寬了NB-IOT的應用領域。

需要指出的是，經過數十年廣大科技工作者和工程技術人員的努力，我國地質災害監測預警的能力得到了很大的提升，災害預警效果也愈發明顯。但是，近年發生的幾起重大地質災害事件（如2017新磨村滑坡[17]、2018金沙江白格滑坡—堰塞湖）顯現出我國地質災害監測預警工作仍需加強，特別是開展交叉學科研究，將最新計算機技術、物聯網技術、通信技術等與工程地質、巖土工程學科相結合，定能催生出一批新型、實用的地質災害監測預警新技術。

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（編輯：商丹丹）