孫錦全 石峰

1. 蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇蘇州 215123；2. 濮陽(yáng)技師學(xué)院，河南濮陽(yáng) 457000

一、引言

本文針對(duì)電梯行業(yè)需要進(jìn)行定期檢查與維修的關(guān)鍵部件，以及安全保護(hù)裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、監(jiān)控。因?yàn)檫@些設(shè)備處于相對(duì)封閉環(huán)境，運(yùn)行狀態(tài)下安檢人員難于進(jìn)入。采用藍(lán)牙、WiFi、GSM等方式存在傳輸距離短，信號(hào)穿透力不強(qiáng)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)行不穩(wěn)定等，為此我們應(yīng)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(tái)形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即使在運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)人員也可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工業(yè)環(huán)境，及時(shí)排除各種險(xiǎn)情。我們的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員多次測(cè)試，準(zhǔn)確率達(dá)到100%，可確保工業(yè)應(yīng)用，不失為一種有益的探索。

二、工業(yè)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（型號(hào)：無(wú)錫泛太SeaIOTEE-EES-01）主要用于特殊條件下不宜人員出入場(chǎng)合環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，采用三層架構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，主要由LoRa監(jiān)測(cè)終端、集中監(jiān)控網(wǎng)關(guān)、紅外控制器以及云平臺(tái)組成。終端監(jiān)測(cè)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(guò)NB-IoT一并傳輸至云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理、顯示以及報(bào)警，可用于工礦現(xiàn)場(chǎng)、電梯基坑、污水處理、油田、農(nóng)田水利、倉(cāng)儲(chǔ)物流等野外相對(duì)惡劣的應(yīng)用場(chǎng)景。

1、系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)、靈活供電（適配器供電、鋰電池供電）；

LoRa監(jiān)測(cè)終端采用低功耗、遠(yuǎn)距離、窄帶寬的LoRa通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸；

網(wǎng)關(guān)可接入云平臺(tái)，通訊方式自動(dòng)選擇，默認(rèn)采用NB-IoT通訊，當(dāng)無(wú)信號(hào)時(shí)，自動(dòng)切換到GPRS通訊模式；

云平臺(tái)部署，可集中管理所有終端設(shè)備，查看終端運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)；采用TCP/UDP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。

2、系統(tǒng)組成

（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(duì)監(jiān)控室的溫濕度、供電電壓波動(dòng)（三項(xiàng)四線供電）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及紅外設(shè)備（如空調(diào)）的集中控制，也可通過(guò)LoRa與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端通訊，讀取終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)NB-IoT或GPRS將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、分析、平臺(tái)化管理，云端可實(shí)時(shí)顯示傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、閥值報(bào)警、設(shè)備控制等功能。

監(jiān)控網(wǎng)關(guān)采用嵌入式ARM Cortex?-M3 STM32 F103系列主機(jī)，實(shí)現(xiàn)板載環(huán)境傳感器、總線設(shè)備、無(wú)線通信模塊等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、采集、控制與傳輸。在機(jī)房斷電或維修時(shí)，網(wǎng)關(guān)控制板可通過(guò)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(lái)學(xué)習(xí)紅外類電器的編碼，存儲(chǔ)在本地，可存儲(chǔ)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(guò)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(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(kāi)、設(shè)備關(guān)、溫度調(diào)節(jié)、模式切換等。

（3）安全監(jiān)測(cè)終端

安全監(jiān)測(cè)終端采用STM32處理器，搭載LoRa通訊模塊，低功耗模式運(yùn)行，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，只有當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件或定時(shí)喚醒時(shí)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(shí)現(xiàn)與監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的交互；防水壓鑄鋁外殼設(shè)計(jì)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(shí)間，成本低，便于移動(dòng)部署；可用在智慧農(nóng)業(yè)、智能停車、智慧校園等場(chǎng)景。

三、關(guān)鍵技術(shù)分析

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(tái)，其中應(yīng)用有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的將超過(guò)160億，而在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場(chǎng)中，便捷、廉價(jià)、低功耗的小數(shù)據(jù)量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將會(huì)占據(jù)高達(dá)90%以上的份額，成為無(wú)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)的帶頭者，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(zhǎng)續(xù)航、多連接和廣覆蓋等特點(diǎn)，在應(yīng)用層面展現(xiàn)出了突出的效果，引起了國(guó)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(shí)受到世界范圍內(nèi)的大量企業(yè)的鼎力支持和推動(dòng)。作為一項(xiàng)具備良好發(fā)展前景的通信技術(shù)，NBIoT的突出優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）低功耗

通過(guò)制定簡(jiǎn)潔的通信協(xié)議和縮短發(fā)射/接收時(shí)間的方式，NB-IoT設(shè)備的待機(jī)時(shí)間提高了近十倍，終端模塊的續(xù)航時(shí)間也從原來(lái)的數(shù)月延長(zhǎng)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(chǎng)的日益豐富，NB-IoT芯片的售賣價(jià)格將會(huì)控制在1美元以下，而企業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)單個(gè)應(yīng)用模塊的成本也會(huì)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(shì)體現(xiàn)在它的一個(gè)扇區(qū)能夠滿足10萬(wàn)臺(tái)設(shè)備同時(shí)連接，從而達(dá)到萬(wàn)物互聯(lián)的要求。此外還支持低延時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)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(jì)的窄帶傳輸模式下，通過(guò)上行鏈路傳遞控制指令，可供選擇的帶寬為3.75kHz和15kHz；通過(guò)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(duì)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?，同樣可以滿足車庫(kù)、倉(cāng)儲(chǔ)等地下應(yīng)用場(chǎng)景的特殊要求。

2、LoRa

LoRa屬于LPWAN 通信技術(shù)，是由美國(guó)Semtech公司發(fā)布和推廣使用的一種無(wú)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(wú)線傳輸方案中，往往無(wú)法兼顧理想的傳輸距離和設(shè)備功耗，針對(duì)這一突出問(wèn)題，LoRa技術(shù)兼具低功耗、遠(yuǎn)距離、低成本和多連接的特點(diǎn)，工作在全球免費(fèi)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(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定通信。

LoRa可以看做是與NB-IoT相競(jìng)爭(zhēng)的低功耗通信技術(shù)，兩者的相似特點(diǎn)主要有：

（1）遠(yuǎn)距離：通信距離最大可以達(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(guò)運(yùn)營(yíng)商基站發(fā)送數(shù)據(jù)，而是有其自身的服務(wù)端。由于不需要移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的參與，它便不需要向移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商支付費(fèi)用，但是它也需要有自己的服務(wù)器，用于接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，以及將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至互聯(lián)網(wǎng)?？梢钥闯?，LoRa的特點(diǎn)和NB-IoT相類似，因此也構(gòu)成了相互競(jìng)爭(zhēng)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(guò)NB-IoT一并傳輸至云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理、顯示以及報(bào)警。

四、工業(yè)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

1、工業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)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(tái)，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(gè)模塊組成。系統(tǒng)默認(rèn)打開(kāi)環(huán)境監(jiān)控模塊中的實(shí)時(shí)環(huán)境功能，以下為實(shí)時(shí)環(huán)境功能的說(shuō)明：

（1）該功能根據(jù)數(shù)據(jù)權(quán)限的問(wèn)題，在查詢條件顯示上分成兩塊，用使用單位權(quán)限登錄時(shí)，系統(tǒng)會(huì)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(hào)則為空；

（2）使用單位通過(guò)查詢條件只能查出自己下轄的設(shè)備信息；

（3）報(bào)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(gè)監(jiān)控指標(biāo)，另外還可根據(jù)開(kāi)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(shí)時(shí)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(shí)，在工業(yè)環(huán)境監(jiān)控中環(huán)境監(jiān)控告警模塊中會(huì)有一條記錄產(chǎn)生，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)送短信給使用單位安全管理員，用戶也可根據(jù)實(shí)際情況自定義手機(jī)號(hào)發(fā)送短信；

（2）用戶也可查看該報(bào)警處置的詳情。

五、結(jié)束語(yǔ)

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

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

（2）通過(guò)無(wú)線通訊將電梯狀態(tài)發(fā)送到企業(yè)的移動(dòng)應(yīng)用端，供多級(jí)用戶實(shí)時(shí)查看、管理與下發(fā)指令；

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

（4）突出了LPWA的低功耗特點(diǎn)，設(shè)備的待機(jī)時(shí)間提高了近十倍，終端模塊的續(xù)航時(shí)間也從原來(lái)的數(shù)月延長(zhǎng)至5年～ 10年；

（5）一座基站可以滿足10萬(wàn)臺(tái)設(shè)備同時(shí)連接，終端連接能力強(qiáng)大，有能力實(shí)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(guān)，免費(fèi)傳輸。

在國(guó)內(nèi)外大量運(yùn)營(yíng)商的支持推動(dòng)下，當(dāng)今NB-IoT和LoRa技術(shù)的部署范圍越來(lái)越廣闊，試點(diǎn)工作逐步展開(kāi)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在商業(yè)市場(chǎng)的普及工作受到諸多生產(chǎn)商和運(yùn)營(yíng)商的強(qiáng)勢(shì)推進(jìn)。在網(wǎng)絡(luò)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(kāi)，而在電梯行業(yè)應(yīng)用NB-IoT和LoRa技術(shù)也必然能為工業(yè)環(huán)境安全運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。