孟慶志 劉 庚

（濟南祥控自動化設備有限公司，山東 濟南250101）

隧道施工現(xiàn)場、社區(qū)配電房、城市地下管廊等作業(yè)現(xiàn)場，容易產(chǎn)生積聚有毒有害氣體，如甲烷、一氧化碳、硫化氫、六氟化硫等氣體，而且由于通風不暢，致使氧氣含量減少、二氧化碳濃度升高、溫濕度失衡等，嚴重危及現(xiàn)場施工作業(yè)人員安全[1-3]。因此，很有必要在現(xiàn)場安裝布置安全監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)實時監(jiān)測預警及聯(lián)動保護。物聯(lián)網(wǎng)新技術的發(fā)展與應用，為傳統(tǒng)有線安裝的安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了更多的技術創(chuàng)新選擇[4-5]。

LoRa 是低功耗廣域網(wǎng)通信技術中的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRa 技術具有遠距離、低功耗、多節(jié)點、低成本等特性，改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網(wǎng)絡。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術是一種聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場的新興技術，具有廣覆蓋、低成本、低功耗、支持海量連接等特點，并且在地下封閉區(qū)域具有很好的穿透能力[6]。

本文運用LoRa 和NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術，研究設計一種智能安全監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)靈活移動布置傳感器及數(shù)據(jù)采集終端、可靠無線傳輸數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測報警及聯(lián)動等安全監(jiān)測功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器組、LoRa 數(shù)據(jù)采集終端、現(xiàn)場監(jiān)控主機和云平臺服務器。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

傳感器組用于采集現(xiàn)場區(qū)域內(nèi)的氣體濃度、粉塵濃度、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場總線連接至LoRa 采集終端?？筛鶕?jù)現(xiàn)場監(jiān)測區(qū)域大小，布置不同組數(shù)的傳感器單元節(jié)點。

LoRa 采集終端實時采集匯總各傳感器數(shù)據(jù)，并通過LoRa通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場監(jiān)控主機。對于長距離現(xiàn)場無線傳輸，LoRa 采集終端兼具有中繼器功能。

現(xiàn)場監(jiān)控主機實時接收、處理和顯示各LoRa 采集終端上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將環(huán)境數(shù)據(jù)按照CoAP 協(xié)議進行封裝打包，然后通過NB-IoT 模組傳輸至云平臺服務器。

當傳感器數(shù)據(jù)超出報警閾值時，現(xiàn)場監(jiān)控主機啟動聲光報警，提示現(xiàn)場施工作業(yè)人員及時采取應對措施，并根據(jù)實際應用需求進行風機、消防泵等設備聯(lián)動控制。

現(xiàn)場管理人員可通過電腦瀏覽器或手機APP 訪問云平臺服務器，實時獲取現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)及預警信息。

圖2 LoRa 模塊接口電路圖

圖3 現(xiàn)場監(jiān)控主機硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 指令CoAP 功能示意圖

2 硬件設計

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點包括傳感器組和LoRa 數(shù)據(jù)采集終端，現(xiàn)場可分為多個傳感器采集區(qū)域，每個區(qū)域布置一套數(shù)據(jù)采集節(jié)點設備。

根據(jù)具體應用需求，傳感器組主要由甲烷濃度檢測儀、一氧化碳檢測儀、氧氣濃度檢測儀、二氧化碳檢測儀、六氟化硫檢測儀、粉塵濃度檢測儀和溫濕度檢測儀等組合而成。

LoRa 數(shù)據(jù)采集終端與采集節(jié)點內(nèi)的各傳感器通過RS485總線進行通信，實時采集各傳感器數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)通過LoRa 通信模塊上傳至現(xiàn)場智能監(jiān)控主機。

LoRa 通信模塊采用有人物聯(lián)網(wǎng)公司的WH-L101-L 模塊。模塊支持點對點通信協(xié)議，可實現(xiàn)UART 轉(zhuǎn)LoRa 數(shù)傳功能；傳輸距離可達3500 米，可滿足幾乎所有現(xiàn)場傳輸距離要求；支持低功耗工作模式；接收靈敏度可達-138.5 dBm，接收靈敏度高，抗干擾性強；支持數(shù)據(jù)加密傳輸，安全性高；支持AT 指令配置，內(nèi)置看門狗，穩(wěn)定運行不死機。LoRa 通信模塊接口電路圖如圖2 所示。

LoRa 數(shù)據(jù)采集終端設計有外部觸發(fā)按鍵接口，可實現(xiàn)低功耗模式下外部實時喚醒和實時時鐘定時喚醒兩種軟件喚醒模式。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點支持交流市電供電和充電電池組供電，以適應具有不同供電條件的現(xiàn)場應用。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控主機設計

現(xiàn)場監(jiān)控主機硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要包括電源管理單元、控制板、觸摸屏顯示器、聲光報警接口、紅外人體感應模塊接口、NB-IoT 模組接口、LoRa 通信模塊和功能按鈕接口。

控制板通過LoRa 通信模塊接收各LoRa 數(shù)據(jù)采集終端上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT 模組及移動基站網(wǎng)絡與云平臺服務器建立連接，將按照CoAP 協(xié)議封裝打包處理的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至云平臺服務器。當傳感器數(shù)據(jù)超出報警閾值時，控制板啟動主機聲光報警器，進行超限聲光報警，并根據(jù)控制邏輯聯(lián)動控制風機、消防泵等設備，執(zhí)行通風換氣或滅火降溫操作。

觸摸屏顯示器實時讀取控制板數(shù)據(jù)寄存器區(qū)的各傳感器數(shù)據(jù)，并進行畫面顯示。觸摸屏顯示器通過存儲卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，可進行歷史報警記錄、歷史數(shù)據(jù)、趨勢圖查看。通過功能按鈕可執(zhí)行切換畫面、報警確認、就地手動控制等操作。

現(xiàn)場監(jiān)控主機一般安裝于現(xiàn)場入口處，當有人員經(jīng)過現(xiàn)場監(jiān)控主機前時，主機紅外人體感應模塊進行人體感應報警，并輪流播放當前現(xiàn)場內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，以供人員判斷是否具備進入現(xiàn)場進行施工作業(yè)的條件。

3 軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集終端運行機制

LoRa 數(shù)據(jù)采集終端支持實時傳輸和低功耗傳輸兩種模式。對于具備交流電源供電或大功率電池組供電的場合，可采用實時傳輸方式。

對于低功耗應用場景，為最大限度的延長電池使用時間，LoRa 數(shù)據(jù)采集終端執(zhí)行喚醒機制，每次定時通信結(jié)束后自動進入休眠狀態(tài)，同時將各傳感器接口斷電。終端可通過外部按鍵中斷觸發(fā)喚醒和內(nèi)置實時時鐘定時喚醒。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)控主機數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

現(xiàn)場監(jiān)控主機與云平臺服務器之間采用NB-IoT 技術支持的CoAP 協(xié)議格式進行環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸[7][8]。CoAP 與HTTP 相似，同樣采用了REST 風格架構(gòu)，用統(tǒng)一資源標識符對可進行GET、PUT、POST、DELETE 等無狀態(tài)操作的傳感器網(wǎng)絡上的資源進行抽象和標志[9]。CoAP 傳輸需要經(jīng)過CoAP 協(xié)議封裝，比UDP 通信更加可靠。

主機采用AT 指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，指令CoAP 功能如圖4 所示。

以GET 流程為例，主機發(fā)起請求，類型為CON，0.01 代表GET 請求，MID 為請求消息ID；云平臺服務器收到請求后，將會返回應答2.05，MID 保持不變，并且返回具體參數(shù)Payload。

4 結(jié)論

本文結(jié)合施工作業(yè)現(xiàn)場安全監(jiān)測需求，運用物聯(lián)網(wǎng)技術研究設計了一種智能安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了靈活自由布置傳感器及數(shù)據(jù)采集終端位置、可靠無線傳輸數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測報警及聯(lián)動等安全監(jiān)測功能，具有很好的實用價值。