基于NB-IoT/LoRa的工業環境安全監測系統設計

孫錦全 石峰

1. 蘇州工業園區工業技術學校，江蘇蘇州 215123；2. 濮陽技師學院，河南濮陽 457000

一、引言

本文針對電梯行業需要進行定期檢查與維修的關鍵部件，以及安全保護裝置的工作狀態進行監視、監控。因為這些設備處于相對封閉環境，運行狀態下安檢人員難于進入。采用藍牙、WiFi、GSM等方式存在傳輸距離短，信號穿透力不強、系統數據運行不穩定等，為此我們應用窄帶物聯網NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）與 LoRa（Long Range）技術[1]、傳感器技術和云平臺形成監測網絡系統，即使在運行狀態，監測人員也可動態監測工業環境，及時排除各種險情。我們的設計方案經過現場技術人員多次測試，準確率達到100%，可確保工業應用，不失為一種有益的探索。

二、工業環境安全監測系統設計

本環境安全監測系統（型號：無錫泛太SeaIOTEE-EES-01）主要用于特殊條件下不宜人員出入場合環境參數的遠程監測，采用三層架構，模塊化設計，主要由LoRa監測終端、集中監控網關、紅外控制器以及云平臺組成。終端監測數據LoRa技術傳至監控網關進行匯聚，結合網關采集的環境參數通過NB-IoT一并傳輸至云數據中心進行存儲、分析、處理、顯示以及報警，可用于工礦現場、電梯基坑、污水處理、油田、農田水利、倉儲物流等野外相對惡劣的應用場景。

1、系統特點

系統采用模塊化設計、靈活供電（適配器供電、鋰電池供電）；

LoRa監測終端采用低功耗、遠距離、窄帶寬的LoRa通訊技術實現遠距離傳輸；

網關可接入云平臺，通訊方式自動選擇，默認采用NB-IoT通訊，當無信號時，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備，查看終端運行狀態，實時監測環境參數；采用TCP/UDP協議與網關通訊，實現現場與平臺的數據交互。

2、系統組成

（1）集中監控網關

集中監控網關能夠實現對監控室的溫濕度、供電電壓波動（三項四線供電）的實時監測，以及紅外設備（如空調）的集中控制，也可通過LoRa與現場監測終端通訊，讀取終端設備采集的數據，通過NB-IoT或GPRS將數據統一發送至云端服務器，實現數據的集中存儲、分析、平臺化管理，云端可實時顯示傳感器數據、數據存儲、數據分析、閥值報警、設備控制等功能。

監控網關采用嵌入式ARM Cortex?-M3 STM32 F103系列主機，實現板載環境傳感器、總線設備、無線通信模塊等設備的驅動、采集、控制與傳輸。在機房斷電或維修時，網關控制板可通過自身鋰電池完成數據保存，防止數據丟失。

（2）紅外控制器

紅外控制器用來學習紅外類電器的編碼，存儲在本地，可存儲多組紅外編碼，網關根據預先設置的溫度閾值，通過串口通信向控制器發送控制命令，由控制器遙控紅外設備動作，實現自動調節監控室內溫度變化，控制內容包含設備開、設備關、溫度調節、模式切換等。

（3）安全監測終端

安全監測終端采用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，只有當發生突發事件或定時喚醒時才處于工作狀態；內置LoRa遠距離低功耗窄帶寬通信模塊實現與監控網關的交互；防水壓鑄鋁外殼設計能夠實現防水、防塵；使用一次性鋰電池供電，一節電池可工作兩年時間，成本低，便于移動部署；可用在智慧農業、智能停車、智慧校園等場景。

三、關鍵技術分析

由相關數據分析得知，在2020年接入互聯網的設備將高達250億臺，其中應用有物聯網通信技術的將超過160億，而在未來的物聯網應用市場中，便捷、廉價、低功耗的小數據量物聯網設備將會占據高達90%以上的份額，成為無線通信領域的主流。作為低功耗廣域物聯網（LPWA）技術的帶頭者，目前NB-IoT和LoRa不斷在技術領域做出革新，充分利用其低功耗、低成本、大容量、長續航、多連接和廣覆蓋等特點，在應用層面展現出了突出的效果，引起了國內外行業的廣泛關注[2]。

1、NB-IoT

3GPP在2016年6月制定了關于NB-IoT的行業標準，NB-IoT搭建在成熟的通信網絡基礎上，同時受到世界范圍內的大量企業的鼎力支持和推動。作為一項具備良好發展前景的通信技術，NBIoT的突出優勢有以下幾點：

（1）低功耗

通過制定簡潔的通信協議和縮短發射/接收時間的方式，NB-IoT設備的待機時間提高了近十倍，終端模塊的續航時間也從原來的數月延長至5年～10年，系統的工作穩定性得到了顯著提高。

（2）低成本

隨著通信技術的逐步成熟，商業市場的日益豐富，NB-IoT芯片的售賣價格將會控制在1美元以下，而企業設計開發單個應用模塊的成本也會相應地降低到5美元左右。

（3）多連接

NB-IoT的多連接優勢體現在它的一個扇區能夠滿足10萬臺設備同時連接，從而達到萬物互聯的要求。此外還支持低延時敏感度、具有超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構。與GSM相比較，NB-IoT具有更低的設備功耗、更低的搭建成本和更寬廣的覆蓋范圍。本系統的終端監測數據通過LoRa技術傳至監控網關進行匯聚。

（4）廣覆蓋

NB-IoT具備很強的覆蓋能力，得益于上行Inter-site CoMP技術以及采取重復發送的方式。在設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；通過下行鏈路下發控制指令，采用的帶寬為180kHz，子載波的數量為12，帶寬為15kHz。農村和較偏遠的區域設備排布較分散，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，可達到覆蓋面積擴大100倍的效果。如果在基站與NB-IoT終端之間選用較少數量的子載波并采取重復傳送的機制，能夠有效提升通信傳輸的成功率，同樣可以滿足車庫、倉儲等地下應用場景的特殊要求。

2、LoRa

LoRa屬于LPWAN 通信技術，是由美國Semtech公司發布和推廣使用的一種無線通信方案。由于其建立在擴頻技術的基礎上，具備了超遠距離通信的能力，目前已經成為低功耗廣域網通信的基礎。在傳統的無線傳輸方案中，往往無法兼顧理想的傳輸距離和設備功耗，針對這一突出問題，LoRa技術兼具低功耗、遠距離、低成本和多連接的特點，工作在全球免費的433、868和915MHz頻段。在選用LoRa通信后，系統容量和規模都得到了明顯提高，能夠完成遠距離的長時穩定通信。

LoRa可以看做是與NB-IoT相競爭的低功耗通信技術，兩者的相似特點主要有：

（1）遠距離：通信距離最大可以達到20km；

（2）低功耗：在某些應用中，電池使用壽命可以達到5年～ 10年；

（3）低速率：傳輸速率較低，最高僅為數百kbps。

但是LoRa與NB-IoT的不同之處在于，LoRa不通過運營商基站發送數據，而是有其自身的服務端。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器，用于接收節點的信號，以及將信號轉發至互聯網。可以看出，LoRa的特點和NB-IoT相類似，因此也構成了相互競爭的關系。

本文中結合網關采集的環境參數，通過NB-IoT一并傳輸至云數據中心進行存儲、分析、處理、顯示以及報警。

四、工業環境安全監測系統應用

1、工業環境實時監控功能

服務器端軟件登錄后，進入環境監控平臺，系統由環境監控、設備信息管理、業務配置管理、系統配置管理四個模塊組成。系統默認打開環境監控模塊中的實時環境功能，以下為實時環境功能的說明：

（1）該功能根據數據權限的問題，在查詢條件顯示上分成兩塊，用使用單位權限登錄時，系統會默認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備信息；

（3）報警設備基本信息中顯示的是正在查看設備基本信息；

（4）設備監控區則顯示該設備溫度、電壓、積水、濕度四個監控指標，另外還可根據開啟/關閉空調以及刷新功能按鈕（即獲取傳感器當前實時數據）。

2、工業環境監控-環境監控告警

（1）當環境（溫度、電壓、積水、濕度）有異常時，在工業環境監控中環境監控告警模塊中會有一條記錄產生，系統將自動發送短信給使用單位安全管理員，用戶也可根據實際情況自定義手機號發送短信；

（2）用戶也可查看該報警處置的詳情。

五、結束語

與傳統的電梯監控系統相比，本設計完成的工業環境安全監控系統具有以下優勢：

（1）在無線傳輸技術選取NB-IoT或LoRa模塊，比先前廣泛使用的藍牙、WiFi、GSM等方式具有更遠的傳輸距離、更強的穿透能力，以及更廣闊的覆蓋區域；

（2）通過無線通訊將電梯狀態發送到企業的移動應用端，供多級用戶實時查看、管理與下發指令；

（3）系統數據運行穩定，具有很高的安全性能；

（4）突出了LPWA的低功耗特點，設備的待機時間提高了近十倍，終端模塊的續航時間也從原來的數月延長至5年～ 10年；

（5）一座基站可以滿足10萬臺設備同時連接，終端連接能力強大，有能力實現大規模的電梯監控；

（6）基于LoRa的傳感器信息采集，自備LoRa網關，免費傳輸。

在國內外大量運營商的支持推動下，當今NB-IoT和LoRa技術的部署范圍越來越廣闊，試點工作逐步展開，窄帶物聯網設備在商業市場的普及工作受到諸多生產商和運營商的強勢推進。在網絡技術快速發展的大潮下，我們相信窄帶物聯通信網將大面積鋪開，而在電梯行業應用NB-IoT和LoRa技術也必然能為工業環境安全運行做出貢獻。