基于物聯網的高溫預警系統設計與應用

韋國銳，林 濤

（1.中國聯通廣東分公司，廣東 廣州 510665；2.廣州城市理工學院 電氣工程學院，廣東 廣州 510800）

隨著5G 技術的發展與應用，物聯網生態正在逐步形成。在國家提出“新基建”建設的背景下，產業鏈、生態鏈以及數據鏈構成的產業物聯網快速興起。智能農牧業、智慧城市、智能電網、智能交通、智能產業與智慧健康生活正在依托物聯網進行秩序的重整與資源優化配置，最終形成新的產業革命，促進社會發展。產業物聯網如圖1所示。如何構建高效、穩定且低功耗的產業物聯網技術與應用系統，成為學者們探索的熱點[1]：張景[2]等通過介紹多種天基物聯網技術體制，分析天基物聯網的技術特征與趨勢，結果表明：進一步解決大容量隨機、連續性泛在接入技術，低成本、低功耗和高安全傳輸一體化技術是物聯網技術現階段面臨的主要挑戰。在智能消防預警系統的探索中。郝丹[3]利用現代通訊網絡技術，設計城市消防預警綜合管理系統，加強公共消防安全管理。付云崢[4]在全面分析智能化消防技術的基礎上，提出信息采集與節點控制一體化智能消防系統，并進行了開發和驗證。呂銀華[5]等提出了智能消防預警系統解決方案的總體架構，提高城市消防預警能力和規范化。傳感器技術及其能量采集方面：吳志東[6]等設計并開發基于熱電轉換技術的傳感器自供電系統，可以收集環境能量，為傳感器檢測系統供電。翟英博[7]開發溫差發電模塊為道路的溫度、濕度以及內部壓力等傳感器提供能量。董璇[8]等分析壓電陶瓷新型工藝，并通過其在可穿戴設備上的應用進行說明，展望對其在物聯網終端的應用。而在智能化消防系統常采用WiFi、ZigBee、電力載波等無線信息采集和傳輸技術，減少電源線且每個節點均實現可視化。智能化消防系統控制靈活、節點及時性強且功耗低的特點顯著。無線終端通常采用干電池或紐扣電池作為電源，但電源需要定期維護，否則影響系統的可靠性。

圖1 產業物聯網示意圖

文章基于熱電轉換能量采集技術[9]，設計智能化高溫預警系統，保障系統終端的用能，降低系統能耗，為特殊環境，尤其是高溫環境下的預警系統提供穩定的電能，降低系統維護成本，同時提高應用場景數字化。

1 系統工作原理

1.1 物聯網技術原理

按照中國物聯網體系規范[10-11]，物聯網系統由用戶域、資源交換域、服務提供域、運維管控域、感知控制域和目標對象域組成，各域之間的邏輯關系如圖2 所示。由于該體系模型是將整個物聯網系統抽象化得出的，在定義和研究物聯網系統中可以起到良好的作用，可是在實際開發物聯網系統的過程中，該體系模型過于抽象難以被直接實現，通常結合具體應用系統進行設計開發。智能化高溫預警系統主要通過傳感器終端進行數據感知、通訊服務器網絡數據傳輸、環網系統作為后臺數據存儲和具備監控系統的前端數據應用等功能為用戶提供服務，使高溫預警更加智能化、數字化。高溫預警系統可以按功能模塊進行劃分為感知層、網絡層、數據層、應用層，其系統架構如圖3 所示。

圖2 物聯網各域之間的邏輯關系

圖3 系統架構圖

感知終端收集高溫預警數據、感知終端運行狀態等信息，通過智能化網關將數據傳送到后臺數據庫，后臺對數據進行分析、統計與處置；巡檢人員，一線值班人員通過APP 客戶端接收預警信息；終端設備檢修、維護人員則通過APP 客戶端進行終端設備的維護和檢測；高溫巡檢管理人員、政府部門、第三方機構則通過Web 進行后臺數據的統計、分析與管理；以及預警信息的確認和處理。數據墻則向相關管理部提供預警場景的數據展示，并建立多部門、跨部門協調辦公與管理機制。

1.2 無線終端工作原理

無線終端是感知層的重要組成部分，其穩定性，準確性直接關系到系統的總體性能。智能化高溫預警系統的無線終端結構如圖4 所示，其中包括熱電轉換能量采集模塊，升壓穩壓模塊，蓄電元件，信號采集，數據處理器和信息接收與發送模塊。

圖4 無線終端結構圖

該無線終端由熱電轉換能量采集模塊與蓄電元件提供電能，電能通過升壓穩壓模塊進行調節，并為信號采集器、數據處理器、信息接收與發送模塊提供電能；蓄電元件可以根據應用場景需求進行增減，通常情況下，對于無線終端應用場景數據采集頻率交底，僅進行高溫預警的情況下，可以去除蓄電元件。該系統數據由信號采集器采集，經過數據處理器進行加工，在傳遞到信息接收與發送模塊，將信號與云端進行交互。熱電轉換能量采集模塊基于塞貝克效應，當兩種不同的熱電材料的一端通過優良導體連接起來；另一端則分別用導體連接，且構成一個閉合回路，在半導體的兩端形成溫度差或有熱流體經過時，電偶臂兩端形成電勢差，電路中也會有電流產生，溫差越大，輸出電壓就越高。

2 高溫預警系統設計與分析

2.1 高溫預警系統的總體框架

高溫預警系統由能量采集模塊、溫度采集器、信號采集器、通訊服務器、環網系統和監控系統組成，如圖5 所示。能量采集模塊為溫度采集器提供電能，溫度采集模塊采集數據并通過WiFi、ZigBee、LoRa 等方式與信號采集器進行信號的傳輸，并通過通訊服務器與環網系統連接，將數據上傳云平臺供監控系統調用和管理。

圖5 高溫預警系統的總體框架

2.2 系統的關鍵功能設計

綜合考慮到物聯網高溫預警系統應用場景的特點[12-13]，高溫環境下電源的安全性與使用壽命均受到影響，滿足使用壽命5 年以上的電池其成本較高且高溫老化速度快；而無線通信方式，WiFi、ZigBee 等方式的穿透性強，傳送距離遠，可以實現實時數據的接收與發送，但能耗高[14-16]。溫度采集模塊，考慮高溫環境下溫度傳感器的測量精度，數據處理器的耐溫區間以及成本之間的關系，通常情況下數據處理器的耐溫區間在-40～80℃之間，如果將芯片的耐溫區間增加到150℃，數據處理器的成本將成倍增加，此外還有幾何尺寸等問題。因此，該智能化高溫預警系統，綜合考慮信息傳送距離、能耗、數據傳輸方式、幾何尺寸、成本以及耐溫區間等情況下，將采用43 MHz 頻段的通信方式，在滿足數據傳輸的情況下，降低系統的能耗，并采用熱電轉換能量采集技術，當環境溫度高于設定值時，熱能轉換為電能并為系統提供能量保障；而在數據處理器中，則采用結構封裝保護工藝，增加隔熱材料，讓數據處理器遠離高溫熱源以降低系統成本且保障系統的穩定性與可靠性。

3 結束語

文章提出基于熱電轉換技術作為高溫預警系統無線終端的用能方案，并對系統的結構，無線終端的結構進行設計，同時對系統關鍵的測溫、能耗以及信號傳輸模塊等關鍵功能與部件進行了綜合評估，并提出解決方案。該系統將提高高溫預警系統的用能穩定性與可靠性，極大節約了終端的線路成本與維護成本，尤其是在高溫條件下，其優勢更加明顯。目前，該系統已經得到了推廣和應用。