基于物聯網技術的智能安全監測系統研究

孟慶志 劉 庚

（濟南祥控自動化設備有限公司，山東 濟南250101）

隧道施工現場、社區配電房、城市地下管廊等作業現場，容易產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，嚴重危及現場施工作業人員安全[1-3]。因此，很有必要在現場安裝布置安全監測系統，以實現實時監測預警及聯動保護。物聯網新技術的發展與應用，為傳統有線安裝的安全監測系統提供了更多的技術創新選擇[4-5]。

LoRa 是低功耗廣域網通信技術中的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRa 技術具有遠距離、低功耗、多節點、低成本等特性，改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，進而擴展傳感網絡。

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

本文運用LoRa 和NB-IoT 物聯網傳輸技術，研究設計一種智能安全監測系統，以實現靈活移動布置傳感器及數據采集終端、可靠無線傳輸數據、實時監測報警及聯動等安全監測功能。

1 系統架構

智能安全監測系統主要包括傳感器組、LoRa 數據采集終端、現場監控主機和云平臺服務器。系統架構如圖1 所示。

傳感器組用于采集現場區域內的氣體濃度、粉塵濃度、溫濕度等環境數據，并通過現場總線連接至LoRa 采集終端。可根據現場監測區域大小，布置不同組數的傳感器單元節點。

LoRa 采集終端實時采集匯總各傳感器數據，并通過LoRa通信模塊將數據上傳至現場監控主機。對于長距離現場無線傳輸，LoRa 采集終端兼具有中繼器功能。

現場監控主機實時接收、處理和顯示各LoRa 采集終端上傳的環境數據，并將環境數據按照CoAP 協議進行封裝打包，然后通過NB-IoT 模組傳輸至云平臺服務器。

當傳感器數據超出報警閾值時，現場監控主機啟動聲光報警，提示現場施工作業人員及時采取應對措施，并根據實際應用需求進行風機、消防泵等設備聯動控制。

現場管理人員可通過電腦瀏覽器或手機APP 訪問云平臺服務器，實時獲取現場環境數據及預警信息。

圖2 LoRa 模塊接口電路圖

圖3 現場監控主機硬件結構圖

圖4 指令CoAP 功能示意圖

2 硬件設計

2.1 數據采集節點設計

數據采集節點包括傳感器組和LoRa 數據采集終端，現場可分為多個傳感器采集區域，每個區域布置一套數據采集節點設備。

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

LoRa 數據采集終端與采集節點內的各傳感器通過RS485總線進行通信，實時采集各傳感器數據，并將傳感器數據通過LoRa 通信模塊上傳至現場智能監控主機。

LoRa 通信模塊采用有人物聯網公司的WH-L101-L 模塊。模塊支持點對點通信協議，可實現UART 轉LoRa 數傳功能；傳輸距離可達3500 米，可滿足幾乎所有現場傳輸距離要求；支持低功耗工作模式；接收靈敏度可達-138.5 dBm，接收靈敏度高，抗干擾性強；支持數據加密傳輸，安全性高；支持AT 指令配置，內置看門狗，穩定運行不死機。LoRa 通信模塊接口電路圖如圖2 所示。

LoRa 數據采集終端設計有外部觸發按鍵接口，可實現低功耗模式下外部實時喚醒和實時時鐘定時喚醒兩種軟件喚醒模式。

數據采集節點支持交流市電供電和充電電池組供電，以適應具有不同供電條件的現場應用。

2.2 現場監控主機設計

現場監控主機硬件結構如圖3 所示，主要包括電源管理單元、控制板、觸摸屏顯示器、聲光報警接口、紅外人體感應模塊接口、NB-IoT 模組接口、LoRa 通信模塊和功能按鈕接口。

控制板通過LoRa 通信模塊接收各LoRa 數據采集終端上傳的傳感器數據，并通過NB-IoT 模組及移動基站網絡與云平臺服務器建立連接，將按照CoAP 協議封裝打包處理的環境數據傳輸至云平臺服務器。當傳感器數據超出報警閾值時，控制板啟動主機聲光報警器，進行超限聲光報警，并根據控制邏輯聯動控制風機、消防泵等設備，執行通風換氣或滅火降溫操作。

觸摸屏顯示器實時讀取控制板數據寄存器區的各傳感器數據，并進行畫面顯示。觸摸屏顯示器通過存儲卡實現數據存儲，可進行歷史報警記錄、歷史數據、趨勢圖查看。通過功能按鈕可執行切換畫面、報警確認、就地手動控制等操作。

現場監控主機一般安裝于現場入口處，當有人員經過現場監控主機前時，主機紅外人體感應模塊進行人體感應報警，并輪流播放當前現場內部環境數據，以供人員判斷是否具備進入現場進行施工作業的條件。

3 軟件設計

3.1 數據采集終端運行機制

LoRa 數據采集終端支持實時傳輸和低功耗傳輸兩種模式。對于具備交流電源供電或大功率電池組供電的場合，可采用實時傳輸方式。

對于低功耗應用場景，為最大限度的延長電池使用時間，LoRa 數據采集終端執行喚醒機制，每次定時通信結束后自動進入休眠狀態，同時將各傳感器接口斷電。終端可通過外部按鍵中斷觸發喚醒和內置實時時鐘定時喚醒。

3.2 現場監控主機數據傳輸協議

現場監控主機與云平臺服務器之間采用NB-IoT 技術支持的CoAP 協議格式進行環境數據傳輸[7][8]。CoAP 與HTTP 相似，同樣采用了REST 風格架構，用統一資源標識符對可進行GET、PUT、POST、DELETE 等無狀態操作的傳感器網絡上的資源進行抽象和標志[9]。CoAP 傳輸需要經過CoAP 協議封裝，比UDP 通信更加可靠。

主機采用AT 指令實現數據的接收和發送，指令CoAP 功能如圖4 所示。

以GET 流程為例，主機發起請求，類型為CON，0.01 代表GET 請求，MID 為請求消息ID；云平臺服務器收到請求后，將會返回應答2.05，MID 保持不變，并且返回具體參數Payload。

4 結論

本文結合施工作業現場安全監測需求，運用物聯網技術研究設計了一種智能安全監測系統，該系統實現了靈活自由布置傳感器及數據采集終端位置、可靠無線傳輸數據、實時監測報警及聯動等安全監測功能，具有很好的實用價值。