基于NBIoT技术的智能井盖监测系统研究

RadioCommunication基于NB-IoT技术的智能井盖监测系统研究

无线通信

基于NB-IoT技术的智能井盖ResearchonSmartManholeCover

监测系统研究MonitoringSystemBasedonNB-IoT

Technology

任小强（中国移动通信通信集团甘肃有限公司兰州分公司，甘肃兰州730000）

RenXiaoqiang（ChinaMobileGroupGansuCo.，Ltd.LanzhouBranch，Lanzhou730000，China）

摘要：关键词：

智能井盖；NB-IoT；物联网

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2019.03.012中图分类号：TN929.5文献标识码：A

文章编号：1007-3043（2019）03-0056-03

针对城市井盖盗损问题，提出一种基于NB-IoT技术的智能井盖监测系统。该系统采用NB-IoT模组及相应传感器实时采集井盖状态信息，通过中国移动NB-IoT网络将其状态信息实时发送到业务监控平台，实现全城井盖信息的统一维护和管理。维护人员通过手机App可实时查看井盖状态信息，能够降低维护成本和提高运维效率，对监管部门的监测治理工作提供了帮助。

Abstract：

Inviewofthetheftprobleminurbanmanholecover，asmartmanholecovermonitoringsystembasedonNB-IoTtechnologyisproposed.ThesystemusestheNB-IoTmoduleandthecorrespondingsensortocollecttheinformationofthestateofthemanholecovers，whichissenttotheservicemonitoringplatforminrealtimethroughtheChinaMobileNB-IoTnetwork，andrealizetheunityofthetowncoversinformationmaintenanceandmanagement.ThemaintenancepersonnelscancheckthestatusinformationofthemanholecoversinrealtimethroughtheAPP，whichcanreducethemaintenancecostandimprovetheoperationandmaintenanceefficiency，andprovidehelpforthemonitoringandmanagementofgovernmentsupervisiondepartments.

Keywords：

Smartmanholecover；NB-IoT；IoT

引用格式：任小强.基于NB-IoT技术的智能井盖监测系统研究［J］.邮电设计技术，2019（3）：56-58.

0引言

随着城市化进程的加快，市政公用设施建设发展迅速。电力、通信等部门大都有自己部门管理的井盖［1-2］，由于城区面积扩大，井盖分布范围广、数量大，导致监管难度大，盗窃井盖的犯罪行为越来越猖獗。据统计，一般城市的井盖年被盗数量占总数量的1%左右，市政管理较好的城市也在0.5%左右。也就是说，一个中型城市一年井盖被盗的数量平均在2000~——————————

收稿日期：2019-01-15

的正常发挥，并造成巨大的经济损失和社会安全问题。目前大量井盖缺乏有效的实时监控手段，人工巡查成本高、效率低，NB-IoT是一种低功耗、大连接、广覆盖和低成本的物联网技术［3-4］，利用NB-IoT建立一个物联网监控平台，当井盖被搬动、发生破损、丢失时，传感器检测到角度的变化并上报告警到平台及APP端供维护人员，并提供导航功能供维护人员及时处理［5］。

5000个左右。这些井盖的盗损现象，影响了设施功能

1NB-IoT技术简介

物联网是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，通过信息传感器，按照事先约定的协议将万物连

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任小强无线通信

基于NB-IoT技术的智能井盖监测系统研究RadioCommunication

接起来，实现定位、跟踪、识别和监控等功能。基于蜂窝的NB-IoT只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，大大降低了部署成本。NB-IoT同样频段下，a）广覆盖。基本特点如下。

NB-IoTNB-IoT比现有基于运营商的蜂窝网络，GSM网络有20dB的增在

益，覆盖面积扩大10倍，期望能覆盖到地下车库、地下

室、地下管道等信号难以到达的地方。

窝网络容易造成网络负荷过高，b）大连接。在物联网应用中，NB-IoT直接利用现有的蜂

在现有的蜂窝网络上进行优化，使200kHz的频率可以提供10万个连接，c）低具有海量设备连接能力。

PSM功耗。NB-IoT引入了eDRX省电技术和

时间，省电模式，借助这2种技术，进一步降低了功耗，在典型应用场景下，延长了电池使用使用AA电池（5号电池）便可以工作10年，无需充电。

美元，d）低成本。企业预期的单个接连模块不超过芯片价格为1~2美元，随着网络部署成本的降5

低，每个模组的批量成本价格预计可以降到2美元左右，为海量终端设备接入提供了可能。

2NB-IoT网络架构

一个典型的NB-IoT网络架构如图1所示，它由通信终端、NB-IoT基站、NB-IoT核心网和业务监控平台组成。

NB-IoTeNodeB终端IoT平台应用服务器eNodeB图1NB-IoT网络架构

备完整的扫描功能，a）NB-IoT终端：通信终端的主要部件是模组，可以嵌入到手机、电脑、打印

具

机、流水线等各行各业的设备中，目前华为、中兴和高通等芯片厂家已经生产了商业化、低成本、通用性能好的模组，小区的基本单元，b）NB-IoT该模组通过空口连接到基站基站：eNodeB。

主要承担空口接入处理、NB-IoT基站是网络中组成蜂窝

小区管理

等相关功能，并通过S1接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。NB-IoT可以独

立组网，也可以通过升级改造现有的移动蜂窝网络达到支持NB-IoT的目的，以中国移动为例，900MHz里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接同时部署核心网不同，c）NB-IoTLTE和NB-IoT。

简化了网络架构，核心网：NB-IoT核心网与现有的使其更好地支持低速EPC

率、大连接、广覆盖的通信业务，主要承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。

数据做综合处理，d）NB-IoT平台：包括设备故障告警、业务平台对通信终端采集到的

数据可视化、大

数据以及趋势分析等，它的主要功能是汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发至相应的业务应用器进行处理。

热备份，e）应用服务器：为了支持海量设备接入而不影响性能，IoT数据的最终汇聚点，采用双机

安装

工业实时数据库OpenPlant［7］。该平台基于B/S架构设计，用户通过浏览器访问平台门户，实现对现有设备的远程监控、远程运维、远程服务，实现门户展示和告警管理。

3业务测试及分析

智能井盖系统的业务主要从覆盖、时延、功耗和穿损等4个方面展开，总体测试结果表明，在电平大于100%-105，可开关井盖dBm时，业务平均时延为45s，业务成功率为壳、传感器、a）覆盖测试：6859次。

模组、芯片基于角度传感器的智慧井盖由外

4部分组成，测试发现正常网络业务测试应满足RSRP>-105dBm和SINR>6dB。当

网络的RSRP<-105dBm，井盖终端无法注册到网络上，由于楼宇阻挡、信号衰减、模组制造工艺等因素，多数区域信号电平并不满足此条件，因此井盖监测系统的各种影响因素需要进一步改进。此外为了实现井盖的更好管理和监测，需要研制复合式传感器井盖系统，考虑到不同应用场景的需求，需增加不同功能传感器，值为b34）时延测试：如表1所示。

s左右，平均时延为从触发业务到收到告警，45s左右。在极好点偶尔时延最小

会出现时延过大的问题，影响时延的主要因素有终

端、NB网络、公网、服务器，整个系统的时延如图2所示。

由图2可以看出，整个系统的时延主要由t1、t2、t3、

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表1

井盖系统传感器种类

传感器

系统主要功能

应用场景

加速度传感井盖撬动告警当盖被打开发生位移井盖防盗、防入

器（有加速度产生）时发送报警信息侵行程开关传井当井盖被打开，行程开关状态改变井盖防盗、防入感器时发送报警息侵电子锁井盖开锁/关锁状态告警

本地或远程授权

开启井盖

水位传感器实时监测井下水位，当水位超过预设

值时发送预警信息

井内环境监测

可燃气体传实时监测下水道中可燃气体浓度，传

感器

数据至平台

井内环境监测

应用终端NB-IoT网手机APPt传感器6业务平台t1NB模组tt25基站t3PGWt4IoT平台图2系统时延影响因素

t4、t5和t6等6部分组成［6］，其中t5为IoT平台和业务平台时延，t6为业务平台与APP之间的时延，t5和t6时延与软件性能有关，可忽略。应用终端和NB-IoT网络时延决定了整个井盖系统的总时延，如何降低应用终端时延是降低总时延的重要途径之一。

个终端支持的业务告警次数为：c）功耗测试：不考虑待机时电池电量的消耗，4760mAh/（50mA×每

（50/（60×60）））mAh=6859次，井盖智能终端极好点平均电流为43.053mA，差点平均电流为48.13mA，随着信号强度逐渐变弱，耗电量也随之上升，不同信号强度下耗电量如表2所示。为保证使用寿命，本次使用了业界最大的20000mAh的电池，按照现在牺牲休眠机制的做法可以使用4年左右。

表2

耗电量与信号强度的关系

信号强度发送200B每天发每天跟踪每天休每天总dBm/

消息消耗送消区更新消眠消消耗/10需电量年所/电量/μAh耗/μAh耗/μAh耗/μAh（-137>-128，-128］310.0310.091.879.2μAh481.01mAh≤-137619.2619.2484.8755.651252.61252.6860.179.279.212183.2191.948318.68000.44减最大且越厚越明显，d）穿损测试：从测试数据看，较厚的水泥井盖信号衰减与球复合型井盖信号衰

磨铸铁相当。针对不同材质的井盖，智能井盖终端在

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井上、井下信号接收强度差（即穿透损耗）为6~10dB，具体测试如表3所示。

表3

不同材质的井盖穿透损耗

井盖材质井盖厚度/cm次数

井上RSRP/井下RSRP/

穿透损

耗/dB复合井盖1复合井盖2217-55.00dBmdBm11.14水泥井盖67-55.86-66.146.28球墨铸铁

177-68.40-62.14-62.14-74.40-68.86.006.6结论

IoT综上所述，在物联网技术快速发展的今天，将NB-

控平台，技术引入智慧城市管理领域中，实现对城市设施（井盖、路灯杆、构建一个物联网监空气质量、温度等）的实时状态监控，降低企业运维成本，提高企业运维效率，促进了运维的标准化和规范化，是实现智慧城市的必要条件之一。在实际应用中，对监管部门的监测治理工作提供了帮助。参考文献：

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昌航空大学学报（自然科学版），2017（3）.

2］戴国华，余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务

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ultraprecisionma⁃

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2–作者简介：任小强，毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，工程师，工学硕士，从事于数据网的管理、网络优化与全业务技术支撑工作。丆丆丆丆丆丆丆丆丆［［［［［［［丆丆丆