基于NB-IoT的環保設備運行監管系統的設計與應用

文/關景新 尹娟 舒位光

1 前言

為了強制企業對污染物進行處理，國家法律法規規定了企業需要安裝相應的環保設備來處理廢水、廢氣、廢物等污染物。然而，部分企業為了追求利潤會鋌而走險，主觀意識上尋找監管的漏洞來偷放污染物。眾所周知，環保設備都是安裝在企業內并且由企業使用，有些企業就會選擇性對設備采取關停、減少環保設備工作時間等手段來偷排污染物。而目前政府部門監督企業偷排行為的手段主要有采用定期檢查、突擊抽查等方式，然而這種方式需要的工作人員較多，過程復雜，也因企業多，難以進行全面監督。近幾年來，政府部門漸漸采取技術手段對企業的偷排行為進行監督，例如采用科技產品來遠程監測環保設備的運行的方式。

目前已經有遠程監測環保設備的系統在線使用，但存在著嚴重的問題：監測環保設備的客戶端外置可見，給企業提供了主觀條件阻止監測環保設備的系統運行來偷排的可能性和機會，據相關環保管理部分的反映，某些企業故意制造偶然事件，將監測設備的監測傳感從原來的環保設備電源線嫁接到其它設備中，然后關停環保設備來制造環保設備持續運行的假象；又有些企業故意制造監測設備供電不正常偶然事件，讓監測設備時而工作時而失靈來制造環保設備短時間內停止工作來獲得時間來進行偷排廢水、廢氣等。

圖1：環保設備監控系統

圖2：系統原理圖設計

本課題組針對以上問題，基于窄帶物聯網技術(NB-IoT)技術研究設計了一套環保設備監控系統，該系統主要運用了最新的窄帶物聯網技術技術作為遠程通信的手段，設計一個智能插座客戶端，該客戶端是與86電源插座面板一樣大小的、內置式的監測硬件，不僅能實時檢測設備的電壓、電流和功率等狀態，還能實時檢測設備的在線情況，結合遠程服務器，形成一套性能良好、功能完善的環保設備監測系統，避免上述的問題，從而較好的實現24小時對企業的偷排行為進行監督。

2 窄帶物聯網技術

窄帶物聯網（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）技術是一種新興的物聯網技術，因低功耗、連接穩定、成本低、架構優化出色等特點而備受關注，它聚焦于低功耗廣覆蓋物聯網市場，使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網絡共存而平滑升級。

NB-IoT具備四大特點：

（1）廣覆蓋，將提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力，能很好地在地下負三層的物理空間進行使用；

（2）具備支撐連接的能力，NB-IoT一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構；

（3）更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年；

（4）更低的模塊成本，企業預期的單個接連模塊不超過5美元。

3 系統硬件設計

本環保設備監控系統的總體設計如圖1（左），采用客戶端-服務器的方式，包括智能插座客戶端和智能插座服務端兩個部分。其中智能插座客戶端是本系統設計的關鍵，客戶端包括插座面板，面板主要提供環保處理設備接入電網的插座接觸頭；插座面板的背面設置計量模塊、內核模塊以及電源模塊；計量模塊連接至插孔內的金屬片并計算環保設備的用電數據；內核模塊具有相互連接的處理器以及NB-IoT的無線傳輸模塊，處理器接收接觸傳感器以及計量模塊輸出的信號和面板模塊接觸信號，NB-IoT無線傳輸模塊將處理器輸出的信號發送至監控服務器；電源模塊向內核模塊供電，除了從交流電源中轉換得到為智能插座客戶端的低壓直流硬件供電以外，還考慮設計采用鋰電池進行供電，以實現供電系統的斷電情況下異常情況監測。

在硬件系統構建時，主要圍繞體積大小、實現接口簡單的因素進行。

3.1 面板設計

面板設計主要考慮向設備提供交流電的供給和設備接入后不允許隨意拔掉的兩個因素。見圖1（右），結合常用的86面板，在面板上設置有至少一組插孔，每一組插孔包括兩個或者三個插孔，當然，如有需要，可以設計成四插孔用于三相交流電的接入，另外，插座面板的正面設置有接觸傳感器，接觸傳感器設置在每一組插孔所在的插頭區域內，當設備的電源線插入至面板后，如果由于人為因素而拔掉設備的電源線這一行為將會被記錄。這接觸傳感器的信號是一種開關量，將以中斷方式與中央處理器相連接，使得整個系統能及時響應處理。

3.2 計量模塊

在計量模塊方面選擇了LT-163單相互感式傳感測量器，主要考慮的因素有：

（1）該測量器高度集成測量、數字通訊技術，能準確測量單相交流電壓、電流、功率、功率因數、頻率、電量等電參數；

（2）該測量器具有一路的TTL 電平串口通信接口，完全隔離電路，體積小，接口簡單，只需要通過串口發送簡單的指令便可以實現功能，方便嵌入到環保處理設備的監測當中去。

3.3 NB-IoT

圖3：客戶端程序的流程圖

圖4：通信數據包格式與數據庫設計

在NB-IoT模塊方面選擇了移遠公司的BC95，它是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊，體積小，其尺寸僅為23.6mm ×19.9mm × 2.2mm，并采用TTL電平的串口通信進行指令傳輸便可以實現無線傳輸。

3.4 中央處理器

在處理器方面，主要根據所需要的IO口數量、串口通信接口數量以及功率進行選擇。選擇了ST公司的STM32F030單片機，該單片機采用了Cortex-M0的內核，工作電壓可以低至2.4V，具有休眠、停止、待機等低功耗運行模式，具有TSSOP20體積極小的封裝，并具2個串口和10多個高速GPIO口，能滿足系統需求。

整個系統原理圖設計如圖2，可見本系統的電源主要是從交流電中轉換得到，再經過充放電管理芯片TC4056A對鋰電池進行管理，再經過電源切換模塊（POWΕR SW）自動選擇供電電源為計量、中央處理器、BC-95進行供電。

4 系統軟件設計

4.1 客戶端軟件設計

客戶端軟件的設計主要是在Keil C的開發環境中為中央處理器添加運行代碼，包括CPU的初始化、NB模組和計量模組的初始化、監測及向服務器發送監測數據的功能實現，見圖3的程序流程圖。整個流程圖分為主程序和中斷服務程序兩部分，主程序主要實現服務器參數設置、檢測中斷觸發后功能處理和監測允許運行三個實現方法，其中服務器參數設置包括開啟/停止運行、監控企業物理地址等設置；中斷服務程序主要是等待電源線拔出產生IO中斷，立刻向服務器發送異常信號，并開啟延時，等待消除IO中斷。從圖3的流程圖中可以看出，本程序具有一顯一隱的兩條主循環路線，主程序里經過初始化操作后將會進行顯性的循環執行，先判斷是否是指令操作，再判斷是否中斷已觸發，再判斷監測是否開啟運行，一直循環下去，但當IO中斷產生后，將進行隱性循環，從主程序進入中斷服務程序運行，關中斷后開啟延時，返回主程序執行，主程序判斷延時是否完成，如果完成將重新開啟中斷，等待下次的中斷產生，如是時間未到，將向服務器發送異常數據，如此循環下去。

圖5：系統運行

4.2 服務器軟件設計

服務器軟件在Visual studio的環境下采用了C++面向對象的開發語言進行設計開發，主要是在遠端的計算機中開發了通信層和應用層的程序。通信層的程序功能主要是為應用初始化始化Socket端口等待客戶終端登陸，接收終端發送的數據包，數據包的格式如圖4所示，并對數據包進行解包后傳至應用層進行數據處理；應用層的程序功能主要是接收通信層解析后的數據進一步進行數據存儲和在人機交互界面處呈現供管理者察看處理。在應用層設計上為了能有更好用戶體驗感，采用了以下兩種技術：

（1）在MFC中使用WebBrowser控件調用百度地圖API來直接在地圖中呈現接入到服務管理平臺的企業環保處理設備；

（2）在MFC中調用TeeChar圖表的ActiveX控件直接呈現設備的運行監測數據狀態。

（3）還開啟了SQL server服務，建立了LoginTable、DeviceInfo、RTDataTable等數據庫表用于管理用戶、設備信息與參數以及設備運行監測數據等。

系統軟件設計還為用戶提供了系統管理、設備管理、監測管理、查看設備歷史數據以及啟停監管等功能菜單，形成了一個完整的監測管理應用，整個系統的運行呈現如圖5(左)。

5 運行測試

系統的服務運行如圖5（左），對系統采用了接入一個額定電壓為～220V、功率為2200W的單相交流電機進行運行測試，如圖5（右）。其中，圖5（右）中的左上圖為設備在線檢測、圖5（右）中的左上圖為設備運行時實時電壓、圖5（右）中的左下圖為設備運行時實時電流以及圖5（右）中的右下圖為設備運行時實時功率。在整個圖5（右）顯示的數據中可以分析得到正常運行檢測、離線報警檢測、設備功率異常檢測的情況。從左上圖中可知在測試次數0～120范圍內，設備一直在線，在超過120次的測量中，設備一直離線，服務器系統收到此狀態后會進行報警顯示；從左下圖和右下圖中可知在測試次數在100～120范圍里，設備測得的實時電流和功率不斷增加，設備異常運行，系統會根據設置的警報上下限值進行判斷后報警顯示；從左上圖、右上圖和右下圖中可知，設備在測試次數130次以后，設備已經離線，但測得的供電實時電壓值依然約為220V，但此時的功率接近為0。

6 總結

經過測試證明系統運行良好，能對遠處的設備進行實時監測，并提供了優良的用戶界面可以直觀、有效地對設備的狀態進行分析，當出現異常時，會直接在系統上直接顯示，可以精確、細微地、實現連續365天24小時不間斷監管，從而加強了對企業進行“三廢”處理的力度，保護我們身邊的青山綠水。