基于NB-IoT和微信小程序的冷卻塔遠(yuǎn)程移動監(jiān)控系統(tǒng)*

廖煒森 鄧偉軍 徐光煌 譚小衛(wèi)

基于NB-IoT和微信小程序的冷卻塔遠(yuǎn)程移動監(jiān)控系統(tǒng)*

廖煒森1鄧偉軍2徐光煌2譚小衛(wèi)2

（1.廣州至正檢測技術(shù)有限公司 2.新菱空調(diào)（佛岡）有限公司）

為滿足冷卻塔實時化、遠(yuǎn)程移動監(jiān)控的需要，設(shè)計一款基于NB-IoT和微信小程序的冷卻塔遠(yuǎn)程移動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過監(jiān)控節(jié)點實時采集冷卻塔運行的3大參數(shù)，通過NB-IoT以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸至核心網(wǎng)，并轉(zhuǎn)發(fā)至用戶服務(wù)器；然后用戶服務(wù)器的偵聽程序?qū)?shù)據(jù)解幀后存入數(shù)據(jù)庫；最后由網(wǎng)頁接口程序讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并在微信小程序中顯示，微信小程序完成參數(shù)設(shè)置后回發(fā)到監(jiān)控節(jié)點，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)、水泵的控制。現(xiàn)場應(yīng)用驗證表明：該系統(tǒng)可實現(xiàn)冷卻塔遠(yuǎn)程移動管理及故障報警，在提高使用便捷性的同時降低了監(jiān)控成本。

冷卻塔；NB-IoT；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

為節(jié)約用地，冷卻塔一般安裝在樓頂或地下空間，運行環(huán)境具有噪聲大、日曬雨淋或潮濕陰暗等特點。運行環(huán)境差、維護(hù)工作不到位，導(dǎo)致冷卻塔的運行狀況得不到有效監(jiān)管，因此采用便捷的技術(shù)手段實現(xiàn)冷卻塔遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障報警功能具有重要意義。

近年來，研究人員逐步開展網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)在冷卻塔遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用研究。天津科技大學(xué)曹冬冬等[1]采用組態(tài)軟件對冷卻塔群組進(jìn)行節(jié)能控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控，但該系統(tǒng)僅實現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的控制，不涉及冷卻塔具體運行狀況的監(jiān)控。華南理工大學(xué)葉季衡等[2]開發(fā)了冷卻塔熱力性能在線監(jiān)測儀與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，該監(jiān)測儀能夠?qū)崟r采集參數(shù)，與計算機(jī)連接后再通過Internet與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立連接，實現(xiàn)監(jiān)測平臺的遠(yuǎn)程管理，同時可通過3G模塊實現(xiàn)短信查詢與報警等功能。但該監(jiān)測儀尺寸較大，無“三防”設(shè)計，現(xiàn)場需額外設(shè)置環(huán)境較好的區(qū)域放置，實際布設(shè)困難，監(jiān)控成本較高，且通過短信查詢較為落后。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)冷卻塔遠(yuǎn)程監(jiān)控逐漸成熟。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）作為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的一種，相比其他低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無需額外部署基站，具有極大優(yōu)勢[3-4]。NB-IoT解決了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵需求，如部署靈活、復(fù)雜性低、電池壽命長、支持大規(guī)模部署等。這些優(yōu)勢使得NB-IoT在智能抄表、智能監(jiān)控、智慧城市、智能農(nóng)業(yè)和其他物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-6]。本文在前期積累的冷卻塔智能傳感與優(yōu)化控制技術(shù)基礎(chǔ)上[2,7-11]，研究基于NB-IoT和微信小程序的冷卻塔遠(yuǎn)程監(jiān)控，搭建監(jiān)控系統(tǒng)框架，并對關(guān)鍵模塊進(jìn)行設(shè)計，開發(fā)一款監(jiān)控成本低、操作便捷的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)框架設(shè)計

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計

冷卻塔遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)、運行參數(shù)和電參數(shù)3大參數(shù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程移動監(jiān)控等。為達(dá)到上述監(jiān)控目標(biāo)，監(jiān)控系統(tǒng)需設(shè)計以下功能[5]：

1）數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能實時、準(zhǔn)確采集冷卻塔3大參數(shù)；

2）參數(shù)設(shè)置，主要包括關(guān)鍵參數(shù)的上下限設(shè)置以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化控制輸入；

3）數(shù)據(jù)存儲，對監(jiān)控系統(tǒng)運行期間獲取的大量實時數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲備份，以備后續(xù)查閱；

4）數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)控系統(tǒng)需將實時采集的信息反映給管理員，同時能將故障報警信息以及其他檢修信息發(fā)送給維修人員；

5）移動管理，在移動終端可完成實時查詢監(jiān)測結(jié)果與遠(yuǎn)程控制操作。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)框架

根據(jù)以上功能需求，設(shè)計基于NB-IoT和微信小程序的冷卻塔遠(yuǎn)程移動監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由監(jiān)控節(jié)點、核心網(wǎng)和人機(jī)交互系統(tǒng)等組成。

圖1 基于NB-IoT和微信小程序的冷卻塔遠(yuǎn)程移動監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

基于NB-IoT和微信小程序冷卻塔遠(yuǎn)程監(jiān)控方案如圖2所示。

圖2 基于NB-IoT和微信小程序冷卻塔遠(yuǎn)程監(jiān)控方案

監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程：1）監(jiān)控節(jié)點將實時采集的3大參數(shù)信息以數(shù)據(jù)幀的形式通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)；2）核心網(wǎng)管理服務(wù)器將獲得的數(shù)據(jù)幀通過Internet轉(zhuǎn)發(fā)至用戶服務(wù)器；3）用戶服務(wù)器的偵聽程序?qū)?shù)據(jù)解幀后存入數(shù)據(jù)庫；4）網(wǎng)頁接口程序讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并在管理員的微信小程序中顯示，管理員可查閱各自的監(jiān)控節(jié)點信息，并修改監(jiān)測、控制參數(shù)；當(dāng)遇到故障時，可在微信小程序?qū)崟r向管理員和維修人員推送故障信息，維修人員解決故障后通過微信小程序反饋至管理服務(wù)器后更新故障信息；5）微信小程序修改后的指令經(jīng)管理服務(wù)器，依次通過Internet、NB-IoT傳輸方式反饋給監(jiān)控節(jié)點，實現(xiàn)參數(shù)修改。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.1 監(jiān)控節(jié)點的識別和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?/h3>

每個監(jiān)控節(jié)點內(nèi)裝有SIM卡，SIM卡具有唯一IMSI號，核心網(wǎng)可通過IMSI號對監(jiān)控節(jié)點進(jìn)行準(zhǔn)確識別。管理服務(wù)器從監(jiān)控節(jié)點和用戶服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)中提取IMSI號，并通過它在監(jiān)控節(jié)點和用戶服務(wù)器之間建立聯(lián)系，使得管理服務(wù)器能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[12]。數(shù)據(jù)發(fā)送采用自定義數(shù)據(jù)幀格式，如圖3所示。

幀頭(2字節(jié))IMSI號(15字節(jié))幀長(2字節(jié))有效數(shù)據(jù)(258字節(jié))CRC校驗碼(2字節(jié))幀尾(2字節(jié))

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

用戶服務(wù)器的偵聽程序?qū)?shù)據(jù)解幀后存入數(shù)據(jù)庫。由于涉及的數(shù)據(jù)量較大（除了各種實時運行數(shù)據(jù)外，還有長時間運行產(chǎn)生的大量歷史數(shù)據(jù)），因此需要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行重點設(shè)計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、管理和查詢。針對本監(jiān)控系統(tǒng)的特點，采用SQL Server可滿足對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理與維護(hù)的需求。

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。為實現(xiàn)用戶管理、參數(shù)監(jiān)測和故障告警等功能，需對各模塊進(jìn)行相應(yīng)信息表設(shè)計，冷卻塔監(jiān)測參數(shù)信息表如表1所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)圖

表1 冷卻塔監(jiān)測參數(shù)信息表

2.3 微信小程序設(shè)計

微信小程序界面如圖5所示。圖5(a)顯示實時數(shù)據(jù)。由于監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)多個冷卻塔組網(wǎng)化管理，因此，用戶服務(wù)器同時存在多個監(jiān)控節(jié)點訪問，界面中的“當(dāng)前為第861幀”指的是當(dāng)前用戶服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的總幀號；“當(dāng)前幀號”值105僅指本監(jiān)控節(jié)點（IMSI號為“450039686505342”）對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的當(dāng)前幀號；“歷史數(shù)據(jù)”可通過點擊頁面“上一幀”和“下一幀”查閱；“告警記錄”可瀏覽歷史發(fā)生的故障告警記錄。圖5(b)顯示出水溫度超過設(shè)置上限時觸發(fā)的故障告警通知，點擊“進(jìn)入小程序查看”可快速訪問圖5(a)顯示的頁面。

3 結(jié)語

基于NB-IoT和微信小程序的冷卻塔遠(yuǎn)程移動監(jiān)控系統(tǒng)采用低功耗的NB-IoT無線通信模塊解決監(jiān)控節(jié)點數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸問題，利用微信小程序?qū)崿F(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程移動管理。通過用戶和維修人員的試點應(yīng)用驗證表明：本文設(shè)計的基于NB-IoT和微信小程序的冷卻塔遠(yuǎn)程移動監(jiān)控系統(tǒng)操作便捷，能有效提高工作效率，減少監(jiān)控人力物力，具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 曹冬冬.群組冷卻塔風(fēng)機(jī)優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)的研究[D].天津:天津科技大學(xué),2014.

[2] 葉季衡.濕式冷卻塔熱力性能在線監(jiān)測儀與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺研制[D].廣州:華南理工大學(xué),2014.

[3] 謝東海,楊洋,席晨晨.NB-IoT技術(shù)在表計行業(yè)的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2018,36(8):45-46.

[4] 許劍劍.基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2017.

[5] Wang H, Fapojuwo A O. A survey of enabling technologies of low power and long range machine-to-machine communi-cations[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2017, 19(4):2621-2639.

[6] Gozalvez J. New 3GPP standard for IoT [Mobile Radio] [J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2016, 11(1):14-20.

[7] 劉文浩.基于CFD逆流濕式冷卻塔熱力性能監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺[D].廣州:華南理工大學(xué),2016.

[8] 劉桂雄,葉季衡,肖若,等.冷卻塔熱力性能在線監(jiān)測裝置及系統(tǒng)研制[J].中國測試,2013,39(4):64-68.

[9] 劉桂雄,葉季衡.一種冷卻塔熱力性能評估方法及系統(tǒng):中國,CN103293013A[P].2013-09-11.

[10] 劉桂雄,劉文浩,洪曉斌,等.基于TBVMC 濕式冷卻塔熱力性能快速評估方法[J].中國測試,2014,40(6):1-5.

[11] 譚小衛(wèi),劉文浩,劉桂雄,等.TBVMC的冷卻塔熱力性能優(yōu)化控制方法[J].中國測試,2017,43(1):112-115.

[12] 吳薇,王宜懷,黃鑫,等.基于NB-IoT和微信小程序的遠(yuǎn)程移動實時溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018,39(4):68-74.

Cooling Tower Remote Mobile Monitoring System Based on NB-IoT and WeChat Mini Program

Liao Weisen1Deng Weijun2Xu Guanghuang2Tan Xiaowei2

(1. Guangzhou Zhizheng Testing Technology Co., Ltd. 2. SINRO Air-Conditioning (Fogang) Co., Ltd.)

In order to meet the needs of real-time cooling tower monitoring and remote mobile monitoring, a cooling tower remote mobile monitoring system based on NB-IoT (Narrow Band-Internet of Things) communication was designed. The system collects the three parameters of the cooling tower operation in real time through the monitoring node, transmits it to the core network through the NB-IoT in the form of data frames, and forwards it to the user server. The user server's listening program deframes the data and stores it in the database. Finally, the data in the database is read by the web interface program and displayed in the WeChat Mini Program. After the parameter setting is completed in the WeChat Mini Program, it is sent back to the monitoring node to realize the control of the fan and the water pump. Field application verification shows that the system realizes remote movement management and fault alarm of the cooling tower, improving the convenience of use and reducing the monitoring cost. Compared with the traditional cooling tower monitoring device, it has the advantages of real-time performance, low power consumption and low cost, and has wide application value.

Cooling Tower; NB-IoT; Remote Monitoring

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0704100）

廖煒森，男，1981年生，本科，工程師，主要研究方向：智能測量與節(jié)能控制技術(shù)。E-mail: 44539895@qq.com

鄧偉軍，男，1978年生，專科，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節(jié)能控制技術(shù)。

徐光煌，男，1978年生，專科，工程師，主要研究方向：智能測量與節(jié)能控制技術(shù)。

譚小衛(wèi)，女，1971年生，本科，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節(jié)能控制技術(shù)。