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基于NB-IoT/LoRa工業(yè)環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
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訪問次數(shù)：472更新時間：2021-07-26 14:43:48
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產(chǎn)品簡介
產(chǎn)品介紹
本環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)（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(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，采用三層架構(gòu)，模塊化設(shè)計，主要由LoRa監(jiān)測終端、集中監(jiān)控網(wǎng)關(guān)、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(guān)進(jìn)行匯聚，結(jié)合網(wǎng)關(guān)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(jìn)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(yīng)用場景。
1、系統(tǒng)特點
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)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(yuǎn)距離、窄帶寬的LoRa通訊技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸；
網(wǎng)關(guān)可接入云平臺，通訊方式自動選擇，默認(rèn)采用NB-IoT通訊，當(dāng)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(shè)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(guān)通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場與平臺的數(shù)據(jù)交互。
2、系統(tǒng)組成
系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
（1）集中監(jiān)控網(wǎng)關(guān)
集中監(jiān)控網(wǎng)關(guān)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(shè)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(shè)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(wù)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(shè)備控制等功能。
集中監(jiān)控網(wǎng)關(guān)
監(jiān)控網(wǎng)關(guān)采用嵌入式ARM Cortex®-M3 STM32F103系列主機(jī)，實現(xiàn)板載環(huán)境傳感器、總線設(shè)備、無線通信模塊等設(shè)備的驅(qū)動、采集、控制與傳輸。在機(jī)房斷電或維修時，網(wǎng)關(guān)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。
監(jiān)控網(wǎng)關(guān)
（2）紅外控制器
紅外控制器用來學(xué)習(xí)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(guān)根據(jù)預(yù)先設(shè)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(shè)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(shè)備開、設(shè)備關(guān)、溫度調(diào)節(jié)、模式切換等。
紅外控制器
（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(dāng)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(yuǎn)距離低功耗窄帶寬通信模塊實現(xiàn)與監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的交互；防水壓鑄鋁外殼設(shè)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。
安全監(jiān)測終端
由相關(guān)數(shù)據(jù)分析得知，在2020年接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備將高達(dá)250億臺，其中應(yīng)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(yīng)用市場中，便捷、廉價、低功耗的小數(shù)據(jù)量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將會占據(jù)高達(dá)90%以上的份額，成為無線通信領(lǐng)域的主流。作為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWA）技術(shù)的*，目前NB-IoT和LoRa不斷在技術(shù)領(lǐng)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(yīng)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(guān)注[2]。
1、NB-IoT
3GPP在2016年6月制定了關(guān)于NB-IoT的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT搭建在成熟的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)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)，NB-IoT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(shè)備的待機(jī)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(shè)計開發(fā)單個應(yīng)用模塊的成本也會相應(yīng)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(shè)備同時連接，可以達(dá)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(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。與GSM相比較，NB-IoT具有更低的設(shè)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(guān)進(jìn)行匯聚。
（4）廣覆蓋
NB-IoT具備很強(qiáng)的覆蓋能力，得益于上行Inter-site CoMP技術(shù)以及采取重復(fù)發(fā)送的方式。在設(shè)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(yuǎn)的區(qū)域設(shè)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(dá)到覆蓋面積擴(kuò)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(fù)傳送的機(jī)制，能夠有效提升通信傳輸?shù)某晒β剩瑯涌梢詽M足車庫、倉儲等地下應(yīng)用場景的特殊要求。
2、LoRa
LoRa（Long Range）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(kuò)頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，具備了超遠(yuǎn)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(chǔ)。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(shè)備功耗，針對這一突出問題，LoRa技術(shù)兼具低功耗、遠(yuǎn)距離、低成本和多連接的特點，工作在的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(yuǎn)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(yuǎn)距離，通信距離可以達(dá)到20km；
（2）低功耗，在某些應(yīng)用中，電池使用壽命可以達(dá)到5-10年；
（3）低速率，傳輸速率較低，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(wù)端。當(dāng)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(wù)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)?？梢钥闯?，LoRa的特點和NB-IoT相類似，因此也構(gòu)成了相互競爭的關(guān)系。
本文中結(jié)合網(wǎng)關(guān)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(jìn)行存儲、分析、處理、顯示、以及報警。
1、NB-IoT
3GPP在2016年6月制定了關(guān)于NB-IoT的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT搭建在成熟的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)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)，NB-IoT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(shè)備的待機(jī)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(shè)計開發(fā)單個應(yīng)用模塊的成本也會相應(yīng)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(shè)備同時連接，可以達(dá)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(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。與GSM相比較，NB-IoT具有更低的設(shè)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(guān)進(jìn)行匯聚。
（4）廣覆蓋
NB-IoT具備很強(qiáng)的覆蓋能力，得益于上行Inter-site CoMP技術(shù)以及采取重復(fù)發(fā)送的方式。在設(shè)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(yuǎn)的區(qū)域設(shè)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(dá)到覆蓋面積擴(kuò)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(fù)傳送的機(jī)制，能夠有效提升通信傳輸?shù)某晒β剩瑯涌梢詽M足車庫、倉儲等地下應(yīng)用場景的特殊要求。
2、LoRa
LoRa（Long Range）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(kuò)頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，具備了超遠(yuǎn)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(chǔ)。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(shè)備功耗，針對這一突出問題，LoRa技術(shù)兼具低功耗、遠(yuǎn)距離、低成本和多連接的特點，工作在的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(yuǎn)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(yuǎn)距離，通信距離可以達(dá)到20km；
（2）低功耗，在某些應(yīng)用中，電池使用壽命可以達(dá)到5-10年；
（3）低速率，傳輸速率較低，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(wù)端。當(dāng)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(wù)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)?？梢钥闯?，LoRa的特點和NB-IoT相類似，因此也構(gòu)成了相互競爭的關(guān)系。
本文中結(jié)合網(wǎng)關(guān)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(jìn)行存儲、分析、處理、顯示、以及報警。
1、工業(yè)環(huán)境實時監(jiān)控功能
服務(wù)器端軟件登錄后，進(jìn)入環(huán)境監(jiān)控平臺，系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備信息管理、業(yè)務(wù)配置管理、系統(tǒng)配置管理四個模塊組成。系統(tǒng)默認(rèn)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(rèn)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(shè)備信息
（3）報警設(shè)備基本信息中顯示的是正在查看設(shè)備基本信息
（4）設(shè)備監(jiān)控區(qū)，則顯示該設(shè)備溫度、電壓、積水、濕度四個監(jiān)控指標(biāo)，另外還可根據(jù)開啟/關(guān)閉空調(diào)以及刷新功能按鈕（即獲取傳感器當(dāng)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(dāng)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(jī)號發(fā)送短信。
（2）用戶也可查看該報警處置的詳情
服務(wù)器端軟件登錄后，進(jìn)入環(huán)境監(jiān)控平臺，系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備信息管理、業(yè)務(wù)配置管理、系統(tǒng)配置管理四個模塊組成。系統(tǒng)默認(rèn)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(rèn)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(shè)備信息
（3）報警設(shè)備基本信息中顯示的是正在查看設(shè)備基本信息
（4）設(shè)備監(jiān)控區(qū)，則顯示該設(shè)備溫度、電壓、積水、濕度四個監(jiān)控指標(biāo)，另外還可根據(jù)開啟/關(guān)閉空調(diào)以及刷新功能按鈕（即獲取傳感器當(dāng)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(dāng)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(jī)號發(fā)送短信。
（2）用戶也可查看該報警處置的詳情
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