基于NB-IoT的地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

楊曉明

摘 要：文中介紹了基于NB-IoT信號傳輸技術(shù)的地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過多種類型的傳感器組及電子門鎖，實時監(jiān)測臺站運行環(huán)境狀態(tài)信息。同時，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將臺站運行狀態(tài)數(shù)據(jù)實時上傳至運行監(jiān)控云平臺。文中對系統(tǒng)架構(gòu)、硬件電路設(shè)計、平臺軟件功能等進行了介紹，該系統(tǒng)具有實時監(jiān)控、無人值守、異常報警等特點，進行了將NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用于地震臺站監(jiān)測的嘗試。

關(guān)鍵詞：地震監(jiān)測臺站;NB-IoT模組;實時監(jiān)控;異常報警;MCU控制電路;STM32

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

地震監(jiān)測臺站是擁有一種或多種地震和地震前兆監(jiān)測手段，專門從事地震監(jiān)測的站點，是國家地震監(jiān)測網(wǎng)的重要組成部分。隨著中國地震局“十二五”規(guī)劃順利實施，地震監(jiān)測臺站信息化改造初步完成，全國無人值守的地震臺站數(shù)量大幅增加，地震監(jiān)測能力不斷提升，但是也帶來了無人值守站點的監(jiān)控難、故障發(fā)現(xiàn)不及時、運維人力成本高等問題[1]。

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)逐漸在地震監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)《防災(zāi)減災(zāi)“十三五”專項規(guī)劃—地震信息化規(guī)劃》中提出的“智慧地震”發(fā)展戰(zhàn)略[2]，我們嘗試將基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)運用到地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)中，開展網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化、協(xié)同化的業(yè)務(wù)發(fā)展新型式。本文介紹了基于NB-IoT技術(shù)的地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)方案，為地震監(jiān)測智能化、信息化發(fā)展提供服務(wù)及技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)方案及功能

系統(tǒng)通過前端傳感器組、終端設(shè)備等獲取地震臺站運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息后，利用NB-IoT通信模組將數(shù)據(jù)發(fā)送至地震臺站運行監(jiān)控云平臺及手機APP客戶端。地震監(jiān)測中心管理員可通過監(jiān)控云平臺實時了解臺站運行狀態(tài)信息，當臺站出現(xiàn)異常狀態(tài)時會實時在平臺端、手機端進行報警、消息推送，管理員可針對異常站點、故障設(shè)備信息給臺站維護人員下派工單進行檢修。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的感知層中包含電子門鎖、水浸傳感器、溫濕度傳感器、振動傳感器、傾斜傳感器、電壓監(jiān)控模塊等傳感器組，可實時監(jiān)測地震監(jiān)測臺站的運行狀態(tài)，并通過NB-IoT模組將數(shù)據(jù)實時上傳至監(jiān)控云平臺。當出現(xiàn)非法開門、供電異常、水浸、傾斜等異常狀態(tài)時，可通過平臺報警、手機APP推送異常信息等方式通知監(jiān)控中心管理人員關(guān)注，及時安排維修人員進行站點檢修、維護。同時，系統(tǒng)還具有遠程控制監(jiān)測站點電子門鎖開關(guān)功能，提高站點安全性。該系統(tǒng)主要定位于為城市地震臺站運行狀態(tài)提供監(jiān)控服務(wù)，同時具有多場景擴展性，可廣泛應(yīng)用于運營商、電力部門等室內(nèi)外箱體運行狀態(tài)的監(jiān)控與管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括主控電路、NB模組通信電路、電源電路、電子門鎖控制電路等，完成對地震臺站運行狀態(tài)中電子門鎖狀態(tài)、溫濕度、傾斜、震動、供電方式及電壓等信息的采集與傳輸。

2.1 主控電路

主控電路連接電子門鎖控制電路、前端傳感器、NB-IoT通信模組、電源電路等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。系統(tǒng)MCU選用TI公司設(shè)計生產(chǎn)的Cortex-M3超低功耗系列STM32L152CCT6A芯片，工作電壓為DC 1.8～3.6 V，休眠狀態(tài)功耗為0.28 μA。在連接性方面，具有1路USB 2.0，3路USART，2路SPI，2路I2C等接口，滿足了多路傳感器信號數(shù)據(jù)傳輸需求。電路采用16 MHz外部晶振作為系統(tǒng)時鐘，LSE采用32.768 kHz作為RTC時鐘，保證在系統(tǒng)掉電時備份寄存器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時間不丟失。主控電路原理如圖2所示。

MCU連接電子門鎖控制電路，可實時監(jiān)控門鎖開關(guān)狀態(tài)，判斷是否存在非法開門、誤開門和長時間未閉合等問題，同時具有遠程開關(guān)電子鎖功能。連接溫濕度傳感器、傾斜傳感器、水浸傳感器、振動傳感器等，監(jiān)控臺站運行環(huán)境狀態(tài)。接入供電狀態(tài)監(jiān)測電路，對供電方式、蓄電池壽命等進行監(jiān)測，保證站點供電安全。

2.2 NB-IoT通信模組

NB-IoT通信模組采用中國電子科技集團公司第二十二研究所天博電子信息科技有限公司自主研發(fā)的TB-22型號通信模組。

TB-22是一款高性能、低功耗、多頻段的NB-IoT無線通信模組，供電電壓為3.1～4.2 V，產(chǎn)品尺寸為24 mm×

15.5 mm×2.2 mm，可滿足終端設(shè)備小型化設(shè)計需求。TB-22的待機功耗為5 μA，數(shù)據(jù)傳輸最大速率功耗為250 mA，最大輸出功率為（23±2）dB，支持NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，工作頻段為H-FDD B3，B5，B8，采用LCC封裝，內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧。接口包括2個UART接口，1個ADC接口，1個USIM卡接口，1個RESET接口，1個天線接口。

主控電路與TB-22模組通過串口方式通信，通過運營商NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至監(jiān)控云平臺，數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)格式、時間間隔等參數(shù)可以根據(jù)用戶實際需求設(shè)置。

2.3 電源電路

系統(tǒng)供電采用地震監(jiān)測臺站市電供電，同時使用電池作為備用供電。在電源輸入端配置過流保護和自恢復(fù)保險電路，并加入電壓狀態(tài)監(jiān)測端口，當臺站的供電方式（由市電變?yōu)樾铍姵兀┌l(fā)生變化，以及蓄電池電量過低時可向監(jiān)控云平臺發(fā)送異常狀態(tài)信息。系統(tǒng)MCU供電電壓為DC 3.3 V，使用DC-DC電源轉(zhuǎn)換。備用電池是為了保障當臺站內(nèi)市電、蓄電池兩種供電方式均出現(xiàn)故障時監(jiān)控系統(tǒng)可持續(xù)工作，并及時向云平臺發(fā)送報警信息。

3 地震臺站運行監(jiān)控云平臺

地震臺站運行監(jiān)控云平臺軟件系統(tǒng)的設(shè)計基于安全、可靠、實用、易于維護的要求，以基于J2EE的多層體系結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)架構(gòu)，采用模塊化設(shè)計方式，結(jié)合Web Service技術(shù)，開發(fā)維護方便，軟件可重復(fù)使用性和擴展性較高[4]。

平臺主要功能包括臺站管理、基礎(chǔ)信息管理、綜合信息管理、報警信息管理以及用戶管理、維修工單下達、移動端信息推送等。圖3所示為地震臺站運行監(jiān)控云平臺系統(tǒng)界面。

監(jiān)控中心管理人員可通過平臺進行地震臺站管理工作，建立地震臺站中地震監(jiān)測設(shè)備臺賬、地理位置信息等，具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析能力?？赏ㄟ^綜合信息管理對用戶信息、用戶權(quán)限、工單管理、電子門鎖開關(guān)操作等進行設(shè)置，可對臺站運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息以及報警信息進行處理、存儲、分析、追朔等操作，可設(shè)置查詢條件方便查詢?nèi)罩拘畔ⅰ?/p>

當臺站運行出現(xiàn)異常狀態(tài)時，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警，在平臺循環(huán)顯示報警信息、地圖異常站點閃爍提示，同時向相關(guān)負責人的手機APP客戶端及微信小程序推送報警信息。監(jiān)控中心管理人員通過報警信息迅速定位異常站點、異常設(shè)備，并及時安排維護人員查看故障信息并及時進行處理，最后維修人員將處理結(jié)果通過APP反饋回監(jiān)控云平臺。

4 結(jié) 語

基于NB-IoT的地震臺站運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地震監(jiān)測領(lǐng)域的融合應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計合理、功能實用，實現(xiàn)了對無人值守地震監(jiān)測臺站運行環(huán)境的實時監(jiān)控，可對異常報警信息迅速定位、明確故障設(shè)備、及時派單維修，具有良好的市場和應(yīng)用前景。但由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問題，目前適用范圍局限在城市內(nèi)的地震監(jiān)測站點，后期隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴大，系統(tǒng)應(yīng)用面會更加廣闊。

參考文獻

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