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基于NB-IoT/LoRa工業環境安全監測系統設計
發布日期:2018-03-27   點擊次數:7455
系統簡介
      工業環境監控系統適應我國工業4.0發展趨勢,本文設計一種基于窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)的數據采集系統,采用NB-IoT替代傳統的藍牙、wifi、gprs等方式,具有功耗小、覆蓋廣、穿透力強、信號好等優點。LoRa是一種新的窄帶技術,與NB-IoT一樣具有的低功耗、遠距離特點,不同的是,LoRa不通過運營商基站發送數據,而是有其自身的服務端。本系統通過獨立傳感器采集基坑環境及電梯相關運行數據,經LoRa、NB-IoT等窄帶物聯網方式完成數據傳輸,由服務器數據庫進行綜合處理,實現工業環境故障報警、困人救援、日常管理等功能綜合性管理平臺。
  • 工業環境安全監測系統設計
  • 關鍵技術分析
  • 工業環境安全監測系統應用

本環境安全監測系統(型號:無錫泛太SeaIOT-EE-EES-01)主要用于特殊條件下不易人員出入場合環境參數的遠程監測,采用三層架構,模塊化設計,主要由LoRa監測終端、集中監控網關、紅外控制器以及云平臺組成。終端監測數據LoRa技術傳至監控網關進行匯聚,結合網關采集的環境參數通過NB-IoT一并傳輸至云數據中心進行存儲、分析、處理、顯示、以及報警,可用于工礦現場、電梯基坑、污水處理、油田、農田水利、倉儲物流等野外相對惡劣的應用場景。
1、系統特點
系統采用模塊化設計、靈活供電(適配器供電、鋰電池供電);
LoRa監測終端采用低功耗、遠距離、窄帶寬的LoRa通訊技術實現遠距離傳輸;
網關可接入云平臺,通訊方式自動選擇,默認采用NB-IoT通訊,當無信號時,自動切換到GPRS通訊模式;
云平臺部署,可集中管理所有終端設備、查看終端運行狀態、實時監測環境參數;采用TCP/UDP協議與網關通訊,實現現場與平臺的數據交互。
2、系統組成

系統拓撲結構圖

(1)集中監控網關
      集中監控網關能夠實現對監控室的溫濕度、供電電壓波動(三項四線供電)的實時監測以及紅外設備(如空調)的集中控制,也可通過LoRa與現場監測終端通訊,讀取終端設備采集的數據,通過NB-IoT或GPRS將數據統一發送至云端服務器,實現數據的集中存儲、分析、平臺化管理,云端可實時顯示傳感器數據、數據存儲、數據分析、閥值報警、設備控制等功能。

集中監控網關

      監控網關采用嵌入式ARM Cortex®-M3 STM32F103系列主機,實現板載環境傳感器、總線設備、無線通信模塊等設備的驅動、采集、控制與傳輸。在機房斷電或維修時,網關控制板可通過自身鋰電池完成數據保存,防止數據丟失。

監控網關

(2)紅外控制器
      紅外控制器用來學習紅外類電器的編碼,存儲在本地,可存儲多組紅外編碼,網關根據預先設置的溫度閾值,通過串口通信向控制器發送控制命令,由控制器遙控紅外設備動作,實現自動調節監控室內溫度變化,控制內容包含設備開、設備關、溫度調節、模式切換等。

紅外控制器

(3)安全監測終端
      安全監測終端采用STM32處理器搭載LoRa通訊模塊,低功耗模式運行,平時處于休眠狀態,只有當發生突發事件,或定時喚醒時才處于工作狀態;內置LoRa遠距離低功耗窄帶寬通信模塊實現與監控網關的交互;防水壓鑄鋁外殼設計能夠實現防水、防塵;使用一次性鋰電池供電,一節電池工作兩年時間,成本低,便于移動部署;可用在智慧農業、智能停車、智慧校園等場景。

安全監測終端



      由相關數據分析得知,在2020年接入互聯網的設備將高達250億臺,其中應用有物聯網通信技術的將超過160億,而在未來的物聯網應用市場中,便捷、廉價、低功耗的小數據量物聯網設備將會占據高達90%以上的份額,成為無線通信領域的主流。作為低功耗廣域物聯網(LPWA)技術的帶頭者,目前NB-IoT和LoRa不斷在技術領域做出革新,充分利用其低功耗、低成本、大容量、長續航、多連接和廣覆蓋等特點,在應用層面展現出了突出的效果,引起了國內外行業的廣泛關注[2]。
1、NB-IoT
3GPP在2016年6月制定了關于NB-IoT的行業標準,NB-IoT搭建在成熟的通信網絡基礎上,同時受到世界范圍內的大量企業的鼎力支持和推動。作為一項具備良好發展前景的通信技術,NB-IoT的突出優勢有以下幾點:
(1)低功耗
通過制定簡潔的通信協議和縮短發射/接收時間的方式,NB-IoT設備的待機時間提高了近十倍,終端模塊的續航時間也從原來的數月延長至5年~10年,系統的工作穩定性得到了顯著提高。
(2)低成本
隨著通信技術的逐步成熟,商業市場的日益豐富,NB-IoT芯片的售賣價格將會控制在1美元以下,而企業設計開發單個應用模塊的成本也會相應地降低到5美元左右。
(3)多連接
NB-IoT的多連接優勢體現在它的一個扇區能夠滿足10萬臺設備同時連接,可以達到萬物互聯的要求。此外還支持低延時敏感度、具有超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構。與GSM相比較,NB-IoT具有更低的設備功耗、更低的搭建成本和更寬廣的覆蓋范圍。本系統的終端監測數據通過LoRa技術傳至監控網關進行匯聚。
(4)廣覆蓋
NB-IoT具備很強的覆蓋能力,得益于上行Inter-site CoMP技術以及采取重復發送的方式。在設計的窄帶傳輸模式下,通過上行鏈路傳遞控制指令,可供選擇的帶寬為3.75kHz和15kHz;通過下行鏈路下發控制指令,采用的帶寬為180kHz,子載波的數量為12,帶寬為15kHz。農村和較偏遠的區域設備排布較分散,對通信能力提出了較高的要求,而將NB-IoT的上行鏈路提高20dB,可達到覆蓋面積擴大100倍的效果。如果在基站與NB-IoT終端之間選用較少數量的子載波并采取重復傳送的機制,能夠有效提升通信傳輸的成功率,同樣可以滿足車庫、倉儲等地下應用場景的特殊要求。
2、LoRa
LoRa(Long Range)屬于LPWAN通信技術,是由美國Semtech公司發布和推廣使用的一種無線通信方案。由于其建立在擴頻技術的基礎上,具備了超遠距離通信的能力,目前已經成為低功耗廣域網通信的基礎。在傳統的無線傳輸方案中,往往無法兼顧理想的傳輸距離和設備功耗,針對這一突出問題,LoRa技術兼具低功耗、遠距離、低成本和多連接的特點,工作在全球免費的433、868和915MHz頻段。在選用LoRa通信后,系統容量和規模都得到了明顯提高,能夠完成遠距離的長時穩定通信。
LoRa可以看做是與NB-IoT相競爭的低功耗通信技術,兩者的相似特點主要有:
(1)遠距離,通信距離最大可以達到20km;
(2)低功耗,在某些應用中,電池使用壽命可以達到5-10年;
(3)低速率,傳輸速率較低,最高僅為數百kbps。
但是LoRa與NB-IoT的不同之處在于,LoRa不通過運營商基站發送數據,而是有其自身的服務端。當然,由于不需要移動運營商的參與,它便不需要向移動運營商支付費用,但是它也需要有自己的服務器,用于接收節點的信號,以及將信號轉發至互聯網。可以看出,LoRa的特點和NB-IoT相類似,因此也構成了相互競爭的關系。
本文中結合網關采集的環境參數通過NB-IoT一并傳輸至云數據中心進行存儲、分析、處理、顯示、以及報警。
1、工業環境實時監控功能
服務器端軟件登錄后,進入環境監控平臺,系統由環境監控、設備信息管理、業務配置管理、系統配置管理四個模塊組成。系統默認打開環境監控模塊中的實時環境功能。以下為實時環境功能的說明。
(1)該功能根據數據權限的問題在查詢條件顯示上分成兩塊,用使用單位權限登錄時,系統會默認將使用單位名稱填充至,使用單位的查詢條件框中;使用管理員賬號則為空。
(2)使用單位通過查詢條件只能查出自己下轄的設備信息
(3)報警設備基本信息中顯示的是正在查看設備基本信息
(4)設備監控區,則顯示該設備溫度、電壓、積水、濕度四個監控指標,另外還可根據開啟/關閉空調以及刷新功能按鈕(即獲取傳感器當前實時數據)
2、工業環境監控-環境監控告警
(1)當環境(溫度、電壓、積水、濕度)有異常時,在工業環境監控中環境監控告警模塊中會有一條記錄產生,系統將自動發送短信給使用單位安全管理員,用戶也可根據實際情況自定義手機號發送短信。
(2)用戶也可查看該報警處置的詳情
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