基于NB-IoT/LoRa的工業(yè)環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

孫錦全 石峰

1. 蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學校，江蘇蘇州 215123；2. 濮陽技師學院，河南濮陽 457000

一、引言

本文針對電梯行業(yè)需要進行定期檢查與維修的關鍵部件，以及安全保護裝置的工作狀態(tài)進行監(jiān)視、監(jiān)控。因為這些設備處于相對封閉環(huán)境，運行狀態(tài)下安檢人員難于進入。采用藍牙、WiFi、GSM等方式存在傳輸距離短，信號穿透力不強、系統(tǒng)數(shù)據(jù)運行不穩(wěn)定等，為此我們應用窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）與 LoRa（Long Range）技術(shù)[1]、傳感器技術(shù)和云平臺形成監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)，即使在運行狀態(tài)，監(jiān)測人員也可動態(tài)監(jiān)測工業(yè)環(huán)境，及時排除各種險情。我們的設計方案經(jīng)過現(xiàn)場技術(shù)人員多次測試，準確率達到100%，可確保工業(yè)應用，不失為一種有益的探索。

二、工業(yè)環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

本環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)（型號：無錫泛太SeaIOTEE-EES-01）主要用于特殊條件下不宜人員出入場合環(huán)境參數(shù)的遠程監(jiān)測，采用三層架構(gòu)，模塊化設計，主要由LoRa監(jiān)測終端、集中監(jiān)控網(wǎng)關、紅外控制器以及云平臺組成。終端監(jiān)測數(shù)據(jù)LoRa技術(shù)傳至監(jiān)控網(wǎng)關進行匯聚，結(jié)合網(wǎng)關采集的環(huán)境參數(shù)通過NB-IoT一并傳輸至云數(shù)據(jù)中心進行存儲、分析、處理、顯示以及報警，可用于工礦現(xiàn)場、電梯基坑、污水處理、油田、農(nóng)田水利、倉儲物流等野外相對惡劣的應用場景。

1、系統(tǒng)特點

系統(tǒng)采用模塊化設計、靈活供電（適配器供電、鋰電池供電）；

LoRa監(jiān)測終端采用低功耗、遠距離、窄帶寬的LoRa通訊技術(shù)實現(xiàn)遠距離傳輸；

網(wǎng)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(tài)，實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)；采用TCP/UDP協(xié)議與網(wǎng)關通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場與平臺的數(shù)據(jù)交互。

2、系統(tǒng)組成

（1）集中監(jiān)控網(wǎng)關

集中監(jiān)控網(wǎng)關能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)控室的溫濕度、供電電壓波動（三項四線供電）的實時監(jiān)測，以及紅外設備（如空調(diào)）的集中控制，也可通過LoRa與現(xiàn)場監(jiān)測終端通訊，讀取終端設備采集的數(shù)據(jù)，通過NB-IoT或GPRS將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至云端服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲、分析、平臺化管理，云端可實時顯示傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、閥值報警、設備控制等功能。

監(jiān)控網(wǎng)關采用嵌入式ARM Cortex?-M3 STM32 F103系列主機，實現(xiàn)板載環(huán)境傳感器、總線設備、無線通信模塊等設備的驅(qū)動、采集、控制與傳輸。在機房斷電或維修時，網(wǎng)關控制板可通過自身鋰電池完成數(shù)據(jù)保存，防止數(shù)據(jù)丟失。

（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(wǎng)關根據(jù)預先設置的溫度閾值，通過串口通信向控制器發(fā)送控制命令，由控制器遙控紅外設備動作，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)監(jiān)控室內(nèi)溫度變化，控制內(nèi)容包含設備開、設備關、溫度調(diào)節(jié)、模式切換等。

（3）安全監(jiān)測終端

安全監(jiān)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(tài)，只有當發(fā)生突發(fā)事件或定時喚醒時才處于工作狀態(tài)；內(nèi)置LoRa遠距離低功耗窄帶寬通信模塊實現(xiàn)與監(jiān)控網(wǎng)關的交互；防水壓鑄鋁外殼設計能夠?qū)崿F(xiàn)防水、防塵；使用一次性鋰電池供電，一節(jié)電池可工作兩年時間，成本低，便于移動部署；可用在智慧農(nóng)業(yè)、智能停車、智慧校園等場景。

三、關鍵技術(shù)分析

由相關數(shù)據(jù)分析得知，在2020年接入互聯(lián)網(wǎng)的設備將高達250億臺，其中應用有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的將超過160億，而在未來的物聯(lián)網(wǎng)應用市場中，便捷、廉價、低功耗的小數(shù)據(jù)量物聯(lián)網(wǎng)設備將會占據(jù)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(lián)網(wǎng)（LPWA）技術(shù)的帶頭者，目前NB-IoT和LoRa不斷在技術(shù)領域做出革新，充分利用其低功耗、低成本、大容量、長續(xù)航、多連接和廣覆蓋等特點，在應用層面展現(xiàn)出了突出的效果，引起了國內(nèi)外行業(yè)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(yè)標準，NB-IoT搭建在成熟的通信網(wǎng)絡基礎上，同時受到世界范圍內(nèi)的大量企業(yè)的鼎力支持和推動。作為一項具備良好發(fā)展前景的通信技術(shù)，NBIoT的突出優(yōu)勢有以下幾點：

（1）低功耗

通過制定簡潔的通信協(xié)議和縮短發(fā)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(xù)航時間也從原來的數(shù)月延長至5年～10年，系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性得到了顯著提高。

（2）低成本

隨著通信技術(shù)的逐步成熟，商業(yè)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(yè)設計開發(fā)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(yōu)勢體現(xiàn)在它的一個扇區(qū)能夠滿足10萬臺設備同時連接，從而達到萬物互聯(lián)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(yōu)化的網(wǎng)絡架構(gòu)。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(tǒng)的終端監(jiān)測數(shù)據(jù)通過LoRa技術(shù)傳至監(jiān)控網(wǎng)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(shù)以及采取重復發(fā)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(fā)控制指令，采用的帶寬為180kHz，子載波的數(shù)量為12，帶寬為15kHz。農(nóng)村和較偏遠的區(qū)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(shù)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?shù)某晒β?，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屬于LPWAN 通信技術(shù)，是由美國Semtech公司發(fā)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(shù)的基礎上，具備了超遠距離通信的能力，目前已經(jīng)成為低功耗廣域網(wǎng)通信的基礎。在傳統(tǒng)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(shù)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(tǒng)容量和規(guī)模都得到了明顯提高，能夠完成遠距離的長時穩(wěn)定通信。

LoRa可以看做是與NB-IoT相競爭的低功耗通信技術(shù)，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年～ 10年；

（3）低速率：傳輸速率較低，最高僅為數(shù)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(fā)送數(shù)據(jù)，而是有其自身的服務端。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(jié)點的信號，以及將信號轉(zhuǎn)發(fā)至互聯(lián)網(wǎng)。可以看出，LoRa的特點和NB-IoT相類似，因此也構(gòu)成了相互競爭的關系。

本文中結(jié)合網(wǎng)關采集的環(huán)境參數(shù)，通過NB-IoT一并傳輸至云數(shù)據(jù)中心進行存儲、分析、處理、顯示以及報警。

四、工業(yè)環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)應用

1、工業(yè)環(huán)境實時監(jiān)控功能

服務器端軟件登錄后，進入環(huán)境監(jiān)控平臺，系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)控、設備信息管理、業(yè)務配置管理、系統(tǒng)配置管理四個模塊組成。系統(tǒng)默認打開環(huán)境監(jiān)控模塊中的實時環(huán)境功能，以下為實時環(huán)境功能的說明：

（1）該功能根據(jù)數(shù)據(jù)權(quán)限的問題，在查詢條件顯示上分成兩塊，用使用單位權(quán)限登錄時，系統(tǒng)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(jiān)控區(qū)則顯示該設備溫度、電壓、積水、濕度四個監(jiān)控指標，另外還可根據(jù)開啟/關閉空調(diào)以及刷新功能按鈕（即獲取傳感器當前實時數(shù)據(jù)）。

2、工業(yè)環(huán)境監(jiān)控-環(huán)境監(jiān)控告警

（1）當環(huán)境（溫度、電壓、積水、濕度）有異常時，在工業(yè)環(huán)境監(jiān)控中環(huán)境監(jiān)控告警模塊中會有一條記錄產(chǎn)生，系統(tǒng)將自動發(fā)送短信給使用單位安全管理員，用戶也可根據(jù)實際情況自定義手機號發(fā)送短信；

（2）用戶也可查看該報警處置的詳情。

五、結(jié)束語

與傳統(tǒng)的電梯監(jiān)控系統(tǒng)相比，本設計完成的工業(yè)環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）在無線傳輸技術(shù)選取NB-IoT或LoRa模塊，比先前廣泛使用的藍牙、WiFi、GSM等方式具有更遠的傳輸距離、更強的穿透能力，以及更廣闊的覆蓋區(qū)域；

（2）通過無線通訊將電梯狀態(tài)發(fā)送到企業(yè)的移動應用端，供多級用戶實時查看、管理與下發(fā)指令；

（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)運行穩(wěn)定，具有很高的安全性能；

（4）突出了LPWA的低功耗特點，設備的待機時間提高了近十倍，終端模塊的續(xù)航時間也從原來的數(shù)月延長至5年～ 10年；

（5）一座基站可以滿足10萬臺設備同時連接，終端連接能力強大，有能力實現(xiàn)大規(guī)模的電梯監(jiān)控；

（6）基于LoRa的傳感器信息采集，自備LoRa網(wǎng)關，免費傳輸。

在國內(nèi)外大量運營商的支持推動下，當今NB-IoT和LoRa技術(shù)的部署范圍越來越廣闊，試點工作逐步展開，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設備在商業(yè)市場的普及工作受到諸多生產(chǎn)商和運營商的強勢推進。在網(wǎng)絡技術(shù)快速發(fā)展的大潮下，我們相信窄帶物聯(lián)通信網(wǎng)將大面積鋪開，而在電梯行業(yè)應用NB-IoT和LoRa技術(shù)也必然能為工業(yè)環(huán)境安全運行做出貢獻。