NBIOT技術(shù)在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測中的應用

王宇健

（山東省煙臺生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 煙臺 264001）

引言

隨著工業(yè)快速發(fā)展，在帶動經(jīng)濟增長、人民生活改善的同時，也引起了很多的環(huán)境污染問題，比如噪音污染、大氣污染、水污染及土壤重金屬污染，對人民的身體健康及生存環(huán)境構(gòu)成了極大的威脅。因此，為了有效治理工業(yè)環(huán)境污染，首要工作就是要對工業(yè)環(huán)境污染情況進行全面監(jiān)測，掌握污染因素及污染變化規(guī)律，才能采取針對性方案有效治理工業(yè)環(huán)境污染[1]。

1 NBIOT技術(shù)概述

NBIOT技術(shù)即窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Narrow Band Internet of Things），是由3GPP標準組織在2015年9月立項提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術(shù)，有助于實現(xiàn)萬物互聯(lián)，且目前在小數(shù)據(jù)量、低速率的物聯(lián)網(wǎng)應用場景中應用比較多。相比較于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NBIOT技術(shù)在覆蓋面積及深度、成本、速率、功耗和安全性等方面具有明顯的優(yōu)勢。

我國的大小工廠眾多，且分布廣泛，相應的環(huán)境污染也比較分散，要想全面實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境的周期性監(jiān)測，需要耗費大量的人力、物力。現(xiàn)有的ZigBee監(jiān)測系統(tǒng)其覆蓋面積只能達到百米級，且功耗過高。LoRa監(jiān)測系統(tǒng)雖然功耗比較低、覆蓋面積能達到千米級，但其組網(wǎng)方式為節(jié)點加網(wǎng)關的方式，安裝難度比較大。因此，亟待設計一套可以全面、實時、準確監(jiān)測和采集各工廠周邊環(huán)境信息的云端監(jiān)測平臺。而NBIOT技術(shù)的應用可以有效解決上述問題，并為工業(yè)環(huán)境污染監(jiān)測提供新的方法及思路[2]。

2 工業(yè)環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)的需求分析

工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物污染具有分布分散、構(gòu)成復雜等特點，因此，為保證工業(yè)環(huán)境污染監(jiān)測的效果，監(jiān)測系統(tǒng)的設計需求主要包括以下幾個方面：

1）覆蓋面積廣。由于工廠周邊環(huán)境信息分散，通常信息監(jiān)測及傳輸需要覆蓋10 km以上。因此，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋面積需達到萬米級以上。

2）功耗低。許多工廠處于偏遠地區(qū)，后期監(jiān)測系統(tǒng)更換電池和系統(tǒng)維護難度比較大。因此，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)必須要功耗低，電池使用年限至少達到10年。

3）時延低敏感。因工業(yè)環(huán)境污染信息采集對頻度要求比較低，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應采用如LPWA等低時延敏感度的方案。

4）組網(wǎng)方便。每個工廠所處的環(huán)境因素各不相同，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)方式應在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)的基礎上，具有良好的拓展性，確保有足夠的網(wǎng)絡接口供系統(tǒng)向外拓展[3]。

3 NBIOT工業(yè)環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

基于上述需求，NBIOT工業(yè)環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)設計具有以下模塊：

1）工業(yè)級主控芯片：主要用于接收各監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)通信協(xié)議對數(shù)據(jù)編程后，利用物聯(lián)網(wǎng)模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。

2）物聯(lián)網(wǎng)IOT模塊：主要用于終端與云平臺間的無線、遠距離通信。

3）防盜裝置：由于系統(tǒng)設備投入運行后為無人值守模式，存在被盜風險，因此，在監(jiān)測系統(tǒng)中設有定位防盜裝置。

4）水質(zhì)監(jiān)測裝置、廢氣監(jiān)測裝置和噪聲監(jiān)測裝置：工業(yè)廢水、廢氣和噪聲是工業(yè)環(huán)境中的重要污染源，因此，NBIOT監(jiān)測系統(tǒng)中設有水質(zhì)監(jiān)測裝置、廢氣監(jiān)測裝置和噪聲監(jiān)測裝置，以便對工業(yè)廢水、廢氣和噪聲進行實時監(jiān)測及評估，為工業(yè)環(huán)境污染治理提供準確有效的數(shù)據(jù)支持。

5）云平臺：為方便監(jiān)測和管理多個工廠，且保證當污染數(shù)值超過預定閾值時，可以及時向管理人員發(fā)出告警信息，因此，在NBIOT監(jiān)測系統(tǒng)中應用了云服務器。

NBIOT監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線通信傳輸系統(tǒng)、云端解析系統(tǒng)及監(jiān)管控制系統(tǒng)構(gòu)成。其工作流程為：通過STM32主控芯片外圍連接各類環(huán)境采集傳感器，對工業(yè)廢水、廢氣、噪聲等樣本數(shù)據(jù)進行采集，并根據(jù)MQTT通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行打包處理及優(yōu)化，然后通過串口發(fā)送到NB模塊，再通過天線傳送到OneNe云平臺，進行進一步解析及存儲。平臺會將數(shù)據(jù)制成動態(tài)曲線圖，通過Web端顯示出來，同時，也會以郵件或短信的形式通知管理人員。NBIOT監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 NBIOT監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

4 NBIOT工業(yè)環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)應用

工業(yè)環(huán)境污染主要為工業(yè)廢水污染、工業(yè)廢氣污染和工業(yè)噪聲污染。因此，NBIOT監(jiān)測系統(tǒng)主要對工廠周邊的水質(zhì)、空氣質(zhì)量及噪音等相關數(shù)據(jù)進行采集。

4.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集

工廠生產(chǎn)排放的廢水中含有大量的游離氨氮，這些氨氮成分會對周邊的水質(zhì)及水生物（如魚類）產(chǎn)生巨大的毒害，人們飲用污染后的水或者食用污染后的魚類，也會危害身體健康。因此，為確定工廠周邊水體污染情況，在水中投入CRK-NH4-485型氨氮變送器，實時采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并通過485總線將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，精度誤差＜1×10-7mg/L。采用DC5 V/12 V型電池進行供電，且終端功耗只有0.1 W，滿足LPWA的外圍設備要求。

4.2 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集終端設備選用的是MQ136型氣敏元件，經(jīng)實際測試得出該氣敏元件在溫度20℃、相對濕度65%、氧氣濃度21%的工況下的靈敏度特性，如圖2所示。其中，RO為氣敏元件在潔凈空氣中的阻值，Rs為氣敏元件在當前環(huán)境下的阻值。

由圖2可知，當空氣污染物濃度為1×10-4mg/L時，Rs/RO的值與潔凈環(huán)境下相對比，空氣中的污染氣體數(shù)值基本都＜10，說明當空氣內(nèi)有污染物濃度達到1×10-4mg/L，氣敏元件的阻值會明顯降低，而當Rs/RO的值≤1時，則說明空氣污染嚴重。

圖2 MQ136靈敏度特性曲線圖

氣敏元件阻值的變化反映到電路中，就是元件兩端電壓值的改變。因此，通過監(jiān)測元件電壓值，并利用ADC轉(zhuǎn)換模數(shù)，再傳輸至主控芯片，就可以實現(xiàn)對空氣質(zhì)量的監(jiān)測。

4.3 噪聲數(shù)據(jù)監(jiān)測

工廠噪聲監(jiān)測主要對工廠是否在非規(guī)定時間內(nèi)生產(chǎn)和規(guī)定時間內(nèi)生產(chǎn)的噪音是否過大、過久進行監(jiān)測。NBIOT監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測噪聲的器件為FC-04聲音傳感器，該聲音傳感器的工作電壓為3.3～5 V，并采取GND、VCC、DO三線制接口，可以識別聲音有無，但無法識別聲音大小或者特定頻率的聲音。該聲音傳感器是通過數(shù)字開關輸出高低電平進行信號傳輸，并可通過數(shù)字電位器調(diào)整其靈敏度。當環(huán)境中的聲音強度＜設定的閾值時，噪聲傳感器模塊中OUT端輸出高電平，說明工廠生產(chǎn)并未產(chǎn)生噪聲。而當環(huán)境中聲音強度＞設定閾值后，模塊OUT端輸出低電平，則說明工廠生產(chǎn)時產(chǎn)生了噪聲。

5 結(jié)語

目前，實際工業(yè)環(huán)境污染監(jiān)測工作中因地區(qū)和環(huán)境的差異，基本都是采取人工+傳統(tǒng)無線通信相結(jié)合的監(jiān)測方式，這種監(jiān)測方式存在功耗高、覆蓋面積有限、安裝難度比較大等缺陷。而應用NBIOT技術(shù)構(gòu)建工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可有效改善這些難題，實際應用中可通過OneNet云平臺及Web端等實現(xiàn)對工廠周邊環(huán)境信息的無人值守、實時監(jiān)測。該系統(tǒng)研發(fā)及應用可為NBIOT技術(shù)與工業(yè)環(huán)境監(jiān)測的深入融合發(fā)展提供了一定的參考。