基于NB-IoT的地震台站运行状态监控系统
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摘 要：文中介绍了基于NB-IoT信号传输技术的地震台站运行状态监控系统。系统通过多种类型的传感器组及电子门锁，实时监测台站运行环境状态信息。同时，通过NB-IoT网络将台站运行状态数据实时上传至运行监控云平台。文中对系统架构、硬件电路设计、平台软件功能等进行了介绍，该系统具有实时监控、无人值守、异常报警等特点，进行了将NB-IoT数据传输技术应用于地震台站监测的尝试。
关键词：地震监测台站;NB-IoT模组;实时监控;异常报警;MCU控制电路;STM32
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）06-00-03
0 引 言
地震监测台站是拥有一种或多种地震和地震前兆监测手段，专门从事地震监测的站点，是国家地震监测网的重要组成部分。随着中国地震局“十二五”规划顺利实施，地震监测台站信息化改造初步完成，全国无人值守的地震台站数量大幅增加，地震监测能力不断提升，但是也带来了无人值守站点的监控难、故障发现不及时、运维人力成本高等问题[1]。
随着电子信息技术的飞速发展，物联网、云计算、大数据等新兴技术逐渐在地震监测中发挥着重要的作用。根据《防灾减灾“十三五”专项规划—地震信息化规划》中提出的“智慧地震”发展战略[2]，我们尝试将基于NB-IoT网络的物联网数据传输技术运用到地震台站运行状态监测服务中，开展网络化、智能化、服务化、协同化的业务发展新型式。本文介绍了基于NB-IoT技术的地震台站运行状态监控系统方案，为地震监测智能化、信息化发展提供服务及技术支持。
1 系统方案及功能
系统通过前端传感器组、终端设备等获取地震台站运行状态的数据信息后，利用NB-IoT通信模组将数据发送至地震台站运行监控云平台及手机APP客户端。地震监测中心管理员可通过监控云平台实时了解台站运行状态信息，当台站出现异常状态时会实时在平台端、手机端进行报警、消息推送，管理员可针对异常站点、故障设备信息给台站维护人员下派工单进行检修。系统结构如图1所示。
系统的感知层中包含电子门锁、水浸传感器、温湿度传感器、振动传感器、倾斜传感器、电压监控模块等传感器组，可实时监测地震监测台站的运行状态，并通过NB-IoT模组将数据实时上传至监控云平台。当出现非法开门、供电异常、水浸、倾斜等异常状态时，可通过平台报警、手机APP推送异常信息等方式通知监控中心管理人员关注，及时安排维修人员进行站点检修、维护。同时，系统还具有远程控制监测站点电子门锁开关功能，提高站点安全性。该系统主要定位于为城市地震台站运行状态提供监控服务，同时具有多场景扩展性，可广泛应用于运营商、电力部门等室内外箱体运行状态的监控与管理。
2 系统硬件设计
系统的硬件电路设计主要包括主控电路、NB模组通信电路、电源电路、电子门锁控制电路等，完成对地震台站运行状态中电子门锁状态、温湿度、倾斜、震动、供电方式及电压等信息的采集与传输。
2.1 主控电路
主控电路连接电子门锁控制电路、前端传感器、NB-IoT通信模组、电源电路等，实现数据采集与控制。系统MCU选用TI公司设计生产的Cortex-M3超低功耗系列STM32L152CCT6A芯片，工作电压为DC 1.8～3.6 V，休眠状态功耗为0.28 μA。在连接性方面，具有1路USB 2.0，3路USART，2路SPI，2路I2C等接口，满足了多路传感器信号数据传输需求。电路采用16 MHz外部晶振作为系统时钟，LSE采用32.768 kHz作为RTC时钟，保证在系统掉电时备份寄存器数据和系统时间不丢失。主控电路原理如图2所示。
MCU连接电子门锁控制电路，可实时监控门锁开关状态，判断是否存在非法开门、误开门和长时间未闭合等问题，同时具有远程开关电子锁功能。连接温湿度传感器、倾斜传感器、水浸传感器、振动传感器等，监控台站运行环境状态。接入供电状态监测电路，对供电方式、蓄电池寿命等进行监测，保证站点供电安全。
2.2 NB-IoT通信模组
NB-IoT通信模组采用中国电子科技集团公司第二十二研究所天博电子信息科技有限公司自主研发的TB-22型号通信模组。
TB-22是一款高性能、低功耗、多频段的NB-IoT无线通信模组，供电电压为3.1～4.2 V，产品尺寸为24 mm×
15.5 mm×2.2 mm，可滿足终端设备小型化设计需求。TB-22的待机功耗为5 μA，数据传输最大速率功耗为250 mA，最大输出功率为（23±2）dB，支持NB-IoT网络，工作频段为H-FDD B3，B5，B8，采用LCC封装，内嵌网络服务协议栈。接口包括2个UART接口，1个ADC接口，1个USIM卡接口，1个RESET接口，1个天线接口。
主控电路与TB-22模组通过串口方式通信，通过运营商NB-IoT网络将数据实时发送至监控云平台，数据量、数据格式、时间间隔等参数可以根据用户实际需求设置。
2.3 电源电路
系统供电采用地震监测台站市电供电，同时使用电池作为备用供电。在电源输入端配置过流保护和自恢复保险电路，并加入电压状态监测端口，当台站的供电方式（由市电变为蓄电池）发生变化，以及蓄电池电量过低时可向监控云平台发送异常状态信息。系统MCU供电电压为DC 3.3 V，使用DC-DC电源转换。备用电池是为了保障当台站内市电、蓄电池两种供电方式均出现故障时监控系统可持续工作，并及时向云平台发送报警信息。
3 地震台站运行监控云平台
地震台站运行监控云平台软件系统的设计基于安全、可靠、实用、易于维护的要求，以基于J2EE的多层体系结构为系统架构，采用模块化设计方式，结合Web Service技术，开发维护方便，软件可重复使用性和扩展性较高[4]。 平台主要功能包括台站管理、基础信息管理、综合信息管理、报警信息管理以及用户管理、维修工单下达、移动端信息推送等。图3所示为地震台站运行监控云平台系统界面。
监控中心管理人员可通过平台进行地震台站管理工作，建立地震台站中地震监测设备台账、地理位置信息等，具有数据处理、数据存储、数据分析能力。可通过综合信息管理对用户信息、用户权限、工单管理、电子门锁开关操作等进行设置，可对台站运行状态数据信息以及报警信息进行处理、存储、分析、追朔等操作，可设置查询条件方便查询日志信息。
当台站运行出现异常状态时，监控系统发出报警，在平台循环显示报警信息、地图异常站点闪烁提示，同时向相关负责人的手机APP客户端及微信小程序推送报警信息。监控中心管理人员通过报警信息迅速定位异常站点、异常设备，并及时安排维护人员查看故障信息并及时进行处理，最后维修人员将处理结果通过APP反馈回监控云平台。
4 结 语
基于NB-IoT的地震台站运行状态监控系统是物联网技术在地震监测领域的融合应用，系统设计合理、功能实用，实现了对无人值守地震监测台站运行环境的实时监控，可对异常报警信息迅速定位、明确故障设备、及时派单维修，具有良好的市场和应用前景。但由于NB-IoT网络覆盖的问题，目前适用范围局限在城市内的地震监测站点，后期随着NB-IoT网络覆盖范围的扩大，系统应用面会更加广阔。
参考文献
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