天津 工业环境安全监测系统设计 工业环境安全监测系统设计装置 工业环境安全监测系统设计设备

ZN-JK28型 基于NB-IoT/LoRa工业环境安全监测系统设计

一、系统设计

本环境安全监测系统(型号:无锡泛太SealOT-EEES-01)主要用于特殊条件M不易人员出入场台环境参数的远程监测，采用三层架构，模块化设 计，主要由LoRa监测终端、集中监控网关.红外控制器以及云平台组成。终端监测数据oRa技术传至监控网关进行汇聚,结合网关采集的环境参数通 过NB-IoT-并传输至云数据中心进行存储、分析. 处理、示以及报警，可用于工矿现场、电梯基坑。污水处理油田、衣田水利、仓储物流等野 外相对恶劣的应用场景。

1.系统特点

系统采用模块化设计、灵活供电(适配器供电、锂电池供电) ;

LoRa监测终端采用低功耗远距离、窄带宽的LoRa通讯技术实现远距离传输;

网关可接入云平台，通讯方式自动选择，默认采用NB-IoT通讯，当无信号时，自动切换到GRS通讯模式;

云平台部署，可集中管理所有终端设备、查看终端运行状态实时监测环境参数:采用TCP/UDP协议与网关通讯。实现现场与平台的数据交互。2.系统组成

(1)集中监控网关

集中监控网关能够实现对监控室的温湿度、供电电压波动(三项四线供电)的实时监测以及红外设备(如空调)的集中控制，也可通过LoRa与现 场监测终端通讯。读取终端设备采集的数据，通过NB-IoT或GPRS将数据统一发送至云端服务器，实现数据的集中存储、分析、平台化管理，云端可 实时显示传感器数据、数据存储、数据分析.阀值报警.设备控制等功能。

监控网关采用嵌入式ARM Cortex⑧-M3 STM32F103系列主机。实现板载环境传感器总线设备、无线通信模块等设备的驱动、采集控制与传 输。在机房断电或维修时，网关控制板可通过自身锂电池完成数据保存，防止数据丢失。

(2)红外控制器

红外控制器用来学习红外类电器的编码，存储在本地，可存储多组红外编码，网关根据预先设置的温度阈值，通过串口通信向控制器发送控制命 令。由控制器遥控红外设备动作，实现自动调节监控室内温度变化。控制内容包含设备开、设备关、温度调节、模式切换等。

(3)安全监测终端

       安全监测终端采用STM32处理器搭载L oRa通讯模块。低功耗模式运行。平时处于休眠状态，只有当发生突发事件，或定时唤醒时才处于工作状态;内置LoRa远距离低功耗窄带宽通信模块实现与监控网关的交互:防水压铸铝外壳设计能够实现防水防尘:使用-次性锂电池供电，-节电池工作两年时间，成本低。便于移动部署:可用在智慧农业、智能停车、智慧校园等场景。

二、技术分析

由相关数据分析得知，在2020年接入互联网的设备将高达250亿台，其中应用有物联网通信技术的将超过160亿。而在未来的物联网应用市场中， 便捷、廉价.低功耗的小数据量物联网设备将会占据高达90%以上的份额，成为无线通信领域的主流。作为低功耗广域物联网(LPWA) 技术的带头 者，目前NB-IoT和LoRa不断在技术领域做出革新，充分利用其低功耗.低成本大容量、长续航、多连接和广 要盖等特点，在应用层面展现出了突 出的效果，引起了国内外行业的广泛关注[2]。

1. NB-IoT

3GPP在2016年6月制定了关于NB-IoT的行业标准。NB-IoT搭建在成熟的通信网络基础上，同时受到世界范围内的大量企业的鼎力支持和推动。作为 一项具备良好发展前景的通信技术。 NB-IoT的突出优势有以下几点:

(1])低功耗

通过制定简洁的通信协议和缩短发射/接收时间的方式，NB-IoT设备的待机时间提高了近十倍。终端模块的续航时间也从原来的数月延长至5年~10 年，系统的工作稳定性得到了显菩提高。

(2)低成本

随着通信技术的逐步成熟。商业市场的日益丰富。NB-IoT芯片的售卖价格将会控制在1美元以下，而企业设计开发单个应用模块的成本也会相应地降 低到5美元左右。

(3)多连接

NB-IoT的多连接优势体现在它的一个扇区能够满足10万台设备同时连接，可以达到万物互联的要求。此外还支持低延时敏感度、具有超低的设备成 本低设备功耗和优化的网络架构。与GSM相比较，NB-IoT具有更低的设备功耗更低的搭建成本和更宽广的要盖范围。本系统的终端监测數据通过 LoRa技术传至监控网关进行汇聚

(4)广要盖

NB-IoT具备很强的要盖能力，得益于上行Inter-site CoMP技术以及采取重复发送的方式。在设计的窄带传输模式下，通过上行链路传递控制指令, 可供选择的带宽为3.75kHz和15kHz;通过下行链路下发控制指令。采用的带宽为180kHz.子载波的数量为12, 带宽为15kHz。农村和较偏远的区域 设备排布较分散。对通信能力提出了较高的要求，而将NB-IoT的上行链路提高20dB.可达到要盖面积扩大100倍的效果。如果在基站与NB-IoT终端 之间选用较少数量的子载波并采取重复传送的机制，能够有效提升通信传输的成功率,同样可以满足车库仓储等地下应用场景的特殊要求。

2. LoRa

由相关数据分析得知，在2020年接入互联网的设备将高达250亿台，其中应用有物联网通信技术的将超过160亿。而在未来的物联网应用市场中。 便捷、廉价、低功耗的小数据星物联网设备将会占据高达90%以上的份额，成为无线通信领域的主流。作为低功耗广域物联网(LPWA)技术的带头 者。目前NB-IoT和LoRa不断在技术领域做出革新.充分利用其低功耗.低成本、大容虽、长续航多连接和广 要盖等特点，在应用层面展现出了突 出的效果，引起了国内外行业的厂泛关注[2]。

1. NB-IoT

3GPP在2016年6月制定了关于NB-IoT的行业标准，NB-IoT搭建在成熟的通信网络基础上,同时受到世界范围内的大量企业的鼎力支持和推动。作为 一项具备良好发展前景的通信技术， NB-IoT的突出优势有以下几点:

(1)低功耗

通过制定简洁的通信协议和缩短发射/接收时间的方式，NB-IoT设备的待机时间提高了近十倍。 终端模块的续航时间也从原来的数月延长至5年~10 年，系统的工作稳定性得到了显著提高。

(2)低成本

随着通信技术的逐步成熟，商业市场的日益丰富，NB-IoT芯片的售卖价格将会控制在1美元以下，而企业设计开发单个应用模块的成本也会相应地降 低到5美元左右。

LoRa (Long Range)属于LPWAN通信技术，是由美国ISemtech公司发布和推厂使用的一种无线通信方案。由于其建立在扩频技术的基础上，具备 了超远距离通信的能力，目前已经成为低功耗厂域网通信的基础。在传统的无线传输方案中，往往无法兼顾理想的传输距离和设备功耗，针对这-突 出问题。LoRa技术兼具低功耗远距离、低成本和多连接的特点，工作在全球免费的433. 868和915MHz频段。 在选用LoRa通信后。系统容量和规 模都得到了明显提高。能够完成远距离的长时稳定通信。

LoRa可以看做是与NB-IoT相竞争的低功耗通信技术，两者的相似特点主要有:

(1)远距离，通信距离*大可以达到20km;

(2)低功耗，在某些应用中，电池使用寿命可以达到5-10年;

(3)低速率，传输速率较低，*高仅为数百kbps。

但是LoRa与NB-IoT的不同之处在于，LoRa不通过运营商基站发送数据，而是有其自身的服务端。当然，由于不需要移动运营商的参与。它便不需要 向移动运营商支付费用，但是它也需要有自己的服务器，用于接收节点的信号，以及将信号转发至互联网。可以看出。LoRa的特点和NB-IoT相类 似。因此也构成了相互竞争的关系。

本文中结合网关采集的环境参数通过NB-IoT-并传输至云数据中心进行存储、分析、处理显示以及报警。

 

三、系统应用

1.工业环境实时监控功能

服务器端软件登录后，进入环境监控平台，系统由环境监控、设备信息管理、业务配置管理、系统配置管理四个模块组成。系统默认打开环境监控模

块中的实时环境功能。以下为实时环境功能的说明。

(1)该功能根据数据权限的问题在查询条件显示上分成两块，用使用单位权限登录时，系统会默认将使用单位名称填充至，使用单位的查询条件框

中;使用管理员账号则为空。

(2)使用单位通过查询条件只能查出自己下辖的设备信息

(3)报警设备基本信息中显示的是正在查看设备基本信息

(4)设备监控区，则显示该设备温度、电压积水.湿度四个监控指标，另外还可根据开启/关闭空调以及刷新功能按钮(即获取传感器当前实时数

据)

2.工业环境监控环境监控告营

管理员，用户也可根据实际情兄自定义手机号发送源信。

(2)用户也可查看该报营处言的洋情

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