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基于NB-IoT/LoRa工业环境安全监测系统设计
发布日期:2018-03-27   点击次数:4348
系统简介
      工业环境监控系统适应我国工业4.0发展趋势,本文设计一种基于窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)的数据采集系统,采用NB-IoT替代传统的蓝牙、wifi、gprs等方式,具有功耗小、覆盖广、穿透力强、信号好等优点。LoRa是一种新的窄带技术,与NB-IoT一样具有的低功耗、远距离特点,不同的是,LoRa不通过运营商基站发送数据,而是有其自身的服务端。本系统通过独立传感器采集基坑环境及电梯相关运行数据,经LoRa、NB-IoT等窄带物联网方式完成数据传输,由服务器数据库进行综合处理,实现工业环境故障报警、困人救援、日常管理等功能综合性管理平台。
  • 工业环境安全监测系统设计
  • 关键技术分析
  • 工业环境安全监测系统应用

本环境安全监测系统(型号:奇幻城最新官网奇幻电玩城SeaIOT-EE-EES-01)主要用于特殊条件下不易人员出入场合环境参数的远程监测,采用三层架构,模块化设计,主要由LoRa监测终端、集中监控网关、红外控制器以及云平台组成。终端监测数据LoRa技术传至监控网关进行汇聚,结合网关采集的环境参数通过NB-IoT一并传输至云数据中心进行存储、分析、处理、显示、以及报警,可用于工矿现场、电梯基坑、污水处理、油田、农田水利、仓储物流等野外相对恶劣的应用场景。
1、系统特点
系统采用模块化设计、灵活供电(适配器供电、锂电池供电);
LoRa监测终端采用低功耗、远距离、窄带宽的LoRa通讯技术实现远距离传输;
网关可接入云平台,通讯方式自动选择,默认采用NB-IoT通讯,当无信号时,自动切换到GPRS通讯模式;
云平台部署,可集中管理所有终端设备、查看终端运行状态、实时监测环境参数;采用TCP/UDP协议与网关通讯,实现现场与平台的数据交互。
2、系统组成

系统拓扑结构图

(1)集中监控网关
      集中监控网关能够实现对监控室的温湿度、供电电压波动(三项四线供电)的实时监测以及红外设备(如空调)的集中控制,也可通过LoRa与现场监测终端通讯,读取终端设备采集的数据,通过NB-IoT或GPRS将数据统一发送至云端服务器,实现数据的集中存储、分析、平台化管理,云端可实时显示传感器数据、数据存储、数据分析、阀值报警、设备控制等功能。

集中监控网关

      监控网关采用嵌入式ARM Cortex®-M3 STM32F103系列主机,实现板载环境传感器、总线设备、无线通信模块等设备的驱动、采集、控制与传输。在机房断电或维修时,网关控制板可通过自身锂电池完成数据保存,防止数据丢失。

监控网关

(2)红外控制器
      红外控制器用来学习红外类电器的编码,存储在本地,可存储多组红外编码,网关根据预先设置的温度阈值,通过串口通信向控制器发送控制命令,由控制器遥控红外设备动作,实现自动调节监控室内温度变化,控制内容包含设备开、设备关、温度调节、模式切换等。

红外控制器

(3)安全监测终端
      安全监测终端采用STM32处理器搭载LoRa通讯模块,低功耗模式运行,平时处于休眠状态,只有当发生突发事件,或定时唤醒时才处于工作状态;内置LoRa远距离低功耗窄带宽通信模块实现与监控网关的交互;防水压铸铝外壳设计能够实现防水、防尘;使用一次性锂电池供电,一节电池工作两年时间,成本低,便于移动部署;可用在智慧农业、智能停车、智慧校园等场景。

安全监测终端



      由相关数据分析得知,在2020年接入互联网的设备将高达250亿台,其中应用有物联网通信技术的将超过160亿,而在未来的物联网应用市场中,便捷、廉价、低功耗的小数据量物联网设备将会占据高达90%以上的份额,成为无线通信领域的主流。作为低功耗广域物联网(LPWA)技术的带头者,目前NB-IoT和LoRa不断在技术领域做出革新,充分利用其低功耗、低成本、大容量、长续航、多连接和广覆盖等特点,在应用层面展现出了突出的效果,引起了国内外行业的广泛关注[2]。
1、NB-IoT
3GPP在2016年6月制定了关于NB-IoT的行业标准,NB-IoT搭建在成熟的通信网络基础上,同时受到世界范围内的大量企业的鼎力支持和推动。作为一项具备良好发展前景的通信技术,NB-IoT的突出优势有以下几点:
(1)低功耗
通过制定简洁的通信协议和缩短发射/接收时间的方式,NB-IoT设备的待机时间提高了近十倍,终端模块的续航时间也从原来的数月延长至5年~10年,系统的工作稳定性得到了显著提高。
(2)低成本
随着通信技术的逐步成熟,商业市场的日益丰富,NB-IoT芯片的售卖价格将会控制在1美元以下,而企业设计开发单个应用模块的成本也会相应地降低到5美元左右。
(3)多连接
NB-IoT的多连接优势体现在它的一个扇区能够满足10万台设备同时连接,可以达到万物互联的要求。此外还支持低延时敏感度、具有超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。与GSM相比较,NB-IoT具有更低的设备功耗、更低的搭建成本和更宽广的覆盖范围。本系统的终端监测数据通过LoRa技术传至监控网关进行汇聚。
(4)广覆盖
NB-IoT具备很强的覆盖能力,得益于上行Inter-site CoMP技术以及采取重复发送的方式。在设计的窄带传输模式下,通过上行链路传递控制指令,可供选择的带宽为3.75kHz和15kHz;通过下行链路下发控制指令,采用的带宽为180kHz,子载波的数量为12,带宽为15kHz。农村和较偏远的区域设备排布较分散,对通信能力提出了较高的要求,而将NB-IoT的上行链路提高20dB,可达到覆盖面积扩大100倍的效果。如果在基站与NB-IoT终端之间选用较少数量的子载波并采取重复传送的机制,能够有效提升通信传输的成功率,同样可以满足车库、仓储等地下应用场景的特殊要求。
2、LoRa
LoRa(Long Range)属于LPWAN通信技术,是由美国Semtech公司发布和推广使用的一种无线通信方案。由于其建立在扩频技术的基础上,具备了超远距离通信的能力,目前已经成为低功耗广域网通信的基础。在传统的无线传输方案中,往往无法兼顾理想的传输距离和设备功耗,针对这一突出问题,LoRa技术兼具低功耗、远距离、低成本和多连接的特点,工作在全球免费的433、868和915MHz频段。在选用LoRa通信后,系统容量和规模都得到了明显提高,能够完成远距离的长时稳定通信。
LoRa可以看做是与NB-IoT相竞争的低功耗通信技术,两者的相似特点主要有:
(1)远距离,通信距离最大可以达到20km;
(2)低功耗,在某些应用中,电池使用寿命可以达到5-10年;
(3)低速率,传输速率较低,最高仅为数百kbps。
但是LoRa与NB-IoT的不同之处在于,LoRa不通过运营商基站发送数据,而是有其自身的服务端。当然,由于不需要移动运营商的参与,它便不需要向移动运营商支付费用,但是它也需要有自己的服务器,用于接收节点的信号,以及将信号转发至互联网。可以看出,LoRa的特点和NB-IoT相类似,因此也构成了相互竞争的关系。
本文中结合网关采集的环境参数通过NB-IoT一并传输至云数据中心进行存储、分析、处理、显示、以及报警。
1、工业环境实时监控功能
服务器端软件登录后,进入环境监控平台,系统由环境监控、设备信息管理、业务配置管理、系统配置管理四个模块组成。系统默认打开环境监控模块中的实时环境功能。以下为实时环境功能的说明。
(1)该功能根据数据权限的问题在查询条件显示上分成两块,用使用单位权限登录时,系统会默认将使用单位名称填充至,使用单位的查询条件框中;使用管理员账号则为空。
(2)使用单位通过查询条件只能查出自己下辖的设备信息
(3)报警设备基本信息中显示的是正在查看设备基本信息
(4)设备监控区,则显示该设备温度、电压、积水、湿度四个监控指标,另外还可根据开启/关闭空调以及刷新功能按钮(即获取传感器当前实时数据)
2、工业环境监控-环境监控告警
(1)当环境(温度、电压、积水、湿度)有异常时,在工业环境监控中环境监控告警模块中会有一条记录产生,系统将自动发送短信给使用单位安全管理员,用户也可根据实际情况自定义手机号发送短信。
(2)用户也可查看该报警处置的详情
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