孟慶志 劉 庚

（濟(jì)南祥控自動(dòng)化設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南250101）

隧道施工現(xiàn)場(chǎng)、社區(qū)配電房、城市地下管廊等作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(fēng)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(yán)重危及現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員安全[1-3]。因此，很有必要在現(xiàn)場(chǎng)安裝布置安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警及聯(lián)動(dòng)保護(hù)。物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為傳統(tǒng)有線(xiàn)安裝的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了更多的技術(shù)創(chuàng)新選擇[4-5]。

LoRa 是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)中的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案。LoRa 技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本等特性，改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶(hù)提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。

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

本文運(yùn)用LoRa 和NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，研究設(shè)計(jì)一種智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)布置傳感器及數(shù)據(jù)采集終端、可靠無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)等安全監(jiān)測(cè)功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器組、LoRa 數(shù)據(jù)采集終端、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)和云平臺(tái)服務(wù)器。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

傳感器組用于采集現(xiàn)場(chǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接至LoRa 采集終端?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)區(qū)域大小，布置不同組數(shù)的傳感器單元節(jié)點(diǎn)。

LoRa 采集終端實(shí)時(shí)采集匯總各傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)LoRa通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)。對(duì)于長(zhǎng)距離現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸，LoRa 采集終端兼具有中繼器功能。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)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(jìn)行封裝打包，然后通過(guò)NB-IoT 模組傳輸至云平臺(tái)服務(wù)器。

當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)超出報(bào)警閾值時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)啟動(dòng)聲光報(bào)警，提示現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行風(fēng)機(jī)、消防泵等設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制。

現(xiàn)場(chǎng)管理人員可通過(guò)電腦瀏覽器或手機(jī)APP 訪(fǎng)問(wèn)云平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)及預(yù)警信息。

圖2 LoRa 模塊接口電路圖

圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 指令CoAP 功能示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括傳感器組和LoRa 數(shù)據(jù)采集終端，現(xiàn)場(chǎng)可分為多個(gè)傳感器采集區(qū)域，每個(gè)區(qū)域布置一套數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

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

LoRa 數(shù)據(jù)采集終端與采集節(jié)點(diǎn)內(nèi)的各傳感器通過(guò)RS485總線(xiàn)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa 通信模塊上傳至現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控主機(jī)。

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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)UART 轉(zhuǎn)LoRa 數(shù)傳功能；傳輸距離可達(dá)3500 米，可滿(mǎn)足幾乎所有現(xiàn)場(chǎng)傳輸距離要求；支持低功耗工作模式；接收靈敏度可達(dá)-138.5 dBm，接收靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)；支持?jǐn)?shù)據(jù)加密傳輸，安全性高；支持AT 指令配置，內(nèi)置看門(mén)狗，穩(wěn)定運(yùn)行不死機(jī)。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(shè)計(jì)有外部觸發(fā)按鍵接口，可實(shí)現(xiàn)低功耗模式下外部實(shí)時(shí)喚醒和實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)喚醒兩種軟件喚醒模式。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)支持交流市電供電和充電電池組供電，以適應(yīng)具有不同供電條件的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)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(bào)警接口、紅外人體感應(yīng)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(guò)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(guò)NB-IoT 模組及移動(dòng)基站網(wǎng)絡(luò)與云平臺(tái)服務(wù)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(tái)服務(wù)器。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)超出報(bào)警閾值時(shí)，控制板啟動(dòng)主機(jī)聲光報(bào)警器，進(jìn)行超限聲光報(bào)警，并根據(jù)控制邏輯聯(lián)動(dòng)控制風(fēng)機(jī)、消防泵等設(shè)備，執(zhí)行通風(fēng)換氣或滅火降溫操作。

觸摸屏顯示器實(shí)時(shí)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(jìn)行畫(huà)面顯示。觸摸屏顯示器通過(guò)存儲(chǔ)卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可進(jìn)行歷史報(bào)警記錄、歷史數(shù)據(jù)、趨勢(shì)圖查看。通過(guò)功能按鈕可執(zhí)行切換畫(huà)面、報(bào)警確認(rèn)、就地手動(dòng)控制等操作。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)一般安裝于現(xiàn)場(chǎng)入口處，當(dāng)有人員經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)前時(shí)，主機(jī)紅外人體感應(yīng)模塊進(jìn)行人體感應(yīng)報(bào)警，并輪流播放當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，以供人員判斷是否具備進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工作業(yè)的條件。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集終端運(yùn)行機(jī)制

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

對(duì)于低功耗應(yīng)用場(chǎng)景，為最大限度的延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，LoRa 數(shù)據(jù)采集終端執(zhí)行喚醒機(jī)制，每次定時(shí)通信結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)將各傳感器接口斷電。終端可通過(guò)外部按鍵中斷觸發(fā)喚醒和內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)喚醒。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)與云平臺(tái)服務(wù)器之間采用NB-IoT 技術(shù)支持的CoAP 協(xié)議格式進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸[7][8]。CoAP 與HTTP 相似，同樣采用了REST 風(fēng)格架構(gòu)，用統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符對(duì)可進(jìn)行GET、PUT、POST、DELETE 等無(wú)狀態(tài)操作的傳感器網(wǎng)絡(luò)上的資源進(jìn)行抽象和標(biāo)志[9]。CoAP 傳輸需要經(jīng)過(guò)CoAP 協(xié)議封裝，比UDP 通信更加可靠。

主機(jī)采用AT 指令實(shí)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(jī)發(fā)起請(qǐng)求，類(lèi)型為CON，0.01 代表GET 請(qǐng)求，MID 為請(qǐng)求消息ID；云平臺(tái)服務(wù)器收到請(qǐng)求后，將會(huì)返回應(yīng)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(chǎng)安全監(jiān)測(cè)需求，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究設(shè)計(jì)了一種智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)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(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)等安全監(jiān)測(cè)功能，具有很好的實(shí)用價(jià)值。