基于NB-IoT技術的油煙監控系統設計與實現

孫迪科

基于NB-IoT技術的油煙監控系統設計與實現

孫迪科

（廣州巨時信息科技有限公司，廣東 廣州 510310）

城市空氣污染成為社會關注的焦點問題，餐飲業的油煙排放備受熱議，而對油煙排放的24小時職守監測則成為政府監管部門的難題。基于NB-IoT技術，設計了油煙在線監測系統，并提出了實現途徑，最后通過對比說明了基于NB-IoT技術的油煙在線監控系統的優勢，從理論上突破了現有油煙監控系統的設計思路，在實際應用中，對政府監管部門的監測治理工作提供了幫助。

NB-IoT 油煙監控 系統設計

1 引言

隨著大氣污染問題越來越被重視，城市餐飲業的油煙排放成為市民關注與熱議的話題，與之相關的環保投訴也與日俱增。政府部門制定了法律法規對餐飲業的油煙排放做出了明確規定，要求餐飲業的油煙排量放不得超過規定的排放標準，且餐飲業的經營管理者要采取油煙凈化措施，安裝油煙凈化裝置。國家環保總局制定的《飲食業油煙排放標準》中規定了飲食業單位油煙的最高允許排放濃度為2.0 mg/m3。然而對油煙排放的監控一直是政府相關部門的頭疼之事，例如某些餐飲經營者采取“你來我開，你走我關”的策略，為了節省成本最終導致油煙凈化設備形同虛設。這種人工檢查的方式費時費力且油煙監控效果不佳，隨著現代通訊技術的發展和傳感元器件的普及，基于電子傳感的油煙監控系統可做到24小時監控油煙排放量，大大降低了城市餐飲業油煙監控的成本，提高了效率，方便政府監管部門實現全面管理。本文基于NB-IoT技術，設計了在線油煙監控系統，理論上突破了傳統基于GPRS技術的油煙監控系統，在實踐中為政府開展油煙監控及治理提供了新的思路與方法。

2 現有油煙監控系統的弊端及解決辦法

現有油煙監控系統采用GPRS通訊模塊，并且數據的存儲基本采用IDC機房托管模式，這種監控系統主要有以下幾個問題：

（1）數據丟包。

（2）發現問題后無法準確定位。

（3）數據分析應用能力弱，預測及維護效果不佳。

本文基于NB-IoT通訊技術、北斗衛星定位技術和物聯網開放平臺技術來設計油煙監控系統，有效解決了現存的各種問題。

NB-IoT通訊技術解決了監測覆蓋及數據傳輸的問題。NB-IoT技術作為油煙監控系統的技術支撐，其具有部署靈活、低功耗、廣覆蓋、大連接、低成本五大優勢，是目前物聯網連接技術的前沿[1]。

（1）部署靈活：NB-IoT可支持獨立部署、保護帶部署和帶內部署三種模式[2]。

（2）低功耗：NB-IoT基于節電模式（PSM，Power Saving Mode）和eDRX兩種技術可實現更長待機。PSM原理是允許UE在進入空閑態一段時間后，關閉信號的收發和AS（接入層）相關功能，相當于部分關機，從而減少天線、射頻、信令處理等的功耗消耗。eDRX（Extended Discontinuous Reception，非連續接收）是3GPP R13引入的新技術，是對原DRX技術的增強，支持的尋呼周期可以更長，從而達到節電目的。

（3）廣覆蓋：NB-IoT將提供改進的室內覆蓋，覆蓋能力可達164 dB，在同樣的頻段下比現有的網絡增益提高20 dB，覆蓋面積擴大100倍，異常報告業務場景，保證99%可靠性，有效解決了GPRS數據丟包的問題。

（4）低成本：基于簡潔的模塊設計，NB-IoT可以實現更低的成本，廠家預期的單個接連模塊不高于5美元[3]。

（5）大連接：根據3GPP TR45.820附錄的話務模型計算當前的2G/3G/4G基站設計保障用戶可以同時做業務并且保障時延，基于這樣的方式，用戶的連接數或者接入數目控制在1 k左右。但是基于NB-IoT對業務時延的不敏感，可以設計更多的用戶接入，保存更多的用戶上下文，這樣可以讓50 k左右的終端同時在一個小區。

北斗定位系統基于我國自主研發的技術實現精準定位，精度可達1 m～2 m，已經趕上并領先于美國的GPS定位系統，僅次于歐洲的伽利略定位系統[4]。本文設計的在線油煙監測系統加入了北斗定位模塊可實現移動式監測，精確地在地圖上顯示出每套系統所在地，并實時地反映到管理中心，準確記錄時間與地點極大地方便了油煙監控的管理。重要的是加入北斗定位功能后，能使監測系統采取移動式監測，當監測某家餐飲企業一段時間達標后，可將設備轉移至另一家餐飲企業進行監測，這是目前現有油煙監測系統所不具備的，具有很高的實用性、便利性[5]。

物聯網開放平臺提供了更加智能的數據分析應用能力。全免費的物聯網開放平臺，能提供全面完備的IoT云服務，為IoT開發者提供了智能設備自助開發工具、后臺技術支持服務，提供物聯網專網、短彩信、位置定位、設備管理、消息分發、遠程升級等基礎服務[6-7]。它提供第三方應用開發平臺，快速實現不同業務需求，借助輕應用孵化器快速搭建屬于自己的Web和APP應用。高擴展的數據庫、實時數據處理、智能預測離線數據分析、數據可視化展示等為公司提供多維度的業務運營服務。

3 基于NB-IoT技術的油煙監控系統設計與實現

3.1 油煙在線監控系統架構設計

本文將油煙在線監控整個系統架構分為三部分，前端、傳輸網絡和云平臺。前端由N個安裝在不同餐飲企業的數據采集節點組成。前端負責采集油煙的濃度、溫度、濕度和地理位置等信息，并按照時間點在線實時或離線發送。傳輸網絡使用NB-IoT技術，基于TCP/IP協議，將數據傳輸至云平臺。物聯網云平臺，其高擴展的數據庫、實時數據處理、智能預測離線數據分析、數據可視化展示等為油煙監控系統提供了多維度的數據業務運營服務，具體如圖1所示：

圖1 系統架構示意圖

3.2 油煙在線監控系統模塊設計

油煙在線監控系統架構的三個部分又由若干模塊組成，前端部分主要是油煙監測傳感器模塊，分為油煙濃度傳感器、油煙溫度傳感器和油煙濕度傳感器這三部分，其輸出數字量或模擬量。

傳輸網絡部分即主控板上集成三個模塊，分別是中央處理器、北斗定位模塊和NB-IoT通訊模塊。中央處理器負責數據節點的決策；北斗定位模塊用于定位數據節點，同時為數據節點提供精確授時；NB-IoT通信模塊用于數據節點與云平臺的信息交換，實現云平臺的遠程監測和控制。如圖2所示，物聯網開放平臺集成數據的存儲、分類、處理、分析及數據可視化功能，在云平臺可直接根據監管部門的需要對每一個監測點進行數據提取及分析，有效實時監控油煙排放超標、油煙凈化設備的工作狀況等情況。另外基于物聯網云平臺上開發的數據分析APP還可以對監控數據進行計算分析，實現預測性維護、預警等服務功能。

3.3 油煙在線監控系統的實現

本文完成油煙在線監控系統架構設計和模塊設計后，針對工程產品模塊做了詳盡的說明，力求使油煙在線監控系統能夠實現與落地。

圖2 功能模塊設計圖

本文設計的油煙在線監控系統主要包括四類產品：節點監控箱、排風機工控監控器、凈化機工控監控器和油煙傳感器，具體如圖3所示：

圖3 數據節點工程安裝示意圖

圖3 為數據節點工程安裝示意圖，標號1是節點監控箱，標號2是排風機工況監控器，標號3是凈化器工況監控器，標號4是油煙傳感器。節點監控箱主要由金屬帶鎖外箱、主控板和電源設備組成。金屬帶鎖外箱用于保護主控板和電源設備。主控板功能有三個方面：采集油煙的濃度、溫度和濕度；監測和控制凈化器和排風機 的運作情況；精準定位和精確授時。

排風機工況監控器用于監測排風機是否啟動和強制控制排風機啟動。凈化器工況監控器用于監控凈化器是否啟動和強制凈化器啟動。油煙傳感器由油煙濃度傳感器、油煙溫度傳感器和油煙濕度傳感器組成。其作用是對油煙的濃度、溫度和濕度進行采樣、量化和編碼，最后傳送至節點控制箱中的主控板。最終將監測數據上傳到物聯網云平臺經過處理后實現可視化管理，實時顯示每個監測點的狀態信息，便于管理人員采取措施，如圖4所示。

4 基于NB-IoT技術的油煙在線監控系統優勢

基于GPRS的監控系統與NB-IoT技術方案的對比如表1所示。

總的來說，基于NB-IoT的油煙監控系統從數據傳輸、定位及數據可視化方面都優于傳統的監控系統。在數據傳輸方面，NB-IoT技術比傳統的GPRS技術穩定性更高、覆蓋更廣、功耗更低、部署更便捷[10]。成本方面NB-IoT終端模塊的功耗非常低，可以采用電池供電，這是現有技術方案無法實現的，對比現有技術采用市電的方式，可以明顯節約功耗成本[6]。而且本文設計的方案將數據上傳到免費的物聯網云平臺，借助平臺資源，實現了數據的分析、處理及可視化。

從國家安全和國民經濟發展的角度出發，使用中國的導航定位系統，首先可以保障國家經濟信息安全，其次可以支持國有產品，另外北斗導航定位系統在技術上處于領先地位。

5 結束語

圖4 實時監控信息及數據可視化

表1 新舊產品對比表

基于NB-IoT技術部署靈活、低功耗、廣覆蓋、大連接、低成本這五大優勢，結合城市餐飲業油煙監控業務的需求，本文設計了基于NB-IoT技術的油煙監控系統，在系統設計中加入了北斗定位模塊并將監控數據與物聯網云平臺相連。該系統的設計與目前的GPRS監控相比有其優越性，并且在實踐中為監管部門的油煙治理提供了一條可行的解決辦法。

[1] 張建國. 中國移動NB-IoT部署策略研究[J]. 移動通信,2017,41(1): 25-30.

[2] 戴國華,余駿華. NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J]. 移動通信, 2016,40(7): 31-36.

[3] 孫威蔚,馬韻潔,楊超. 餐飲業油煙在線監控系統的設計與研究[J]. 電子技術與軟件工程, 2016(20): 192.

[4] 楊琰. 北斗衛星導航系統與GPS全球定位系統簡要對比分析[J]. 無線互聯科技, 2013(4): 114.

[5] 尚秀旻,王曉冬. 淺談北斗衛星導航定位系統及其應用[J]. 湖北成人教育學院學報, 2011,17(3): 142-143.

[6] 王淑玲,胡云,從光磊,等. 電信運營商物聯網平臺發展思考[J]. 郵電設計技術, 2017(8): 7-10.

[7] 寧瑋. 電信運營商物聯網平臺型商業模式研究與評價[D]. 長沙: 湖南大學, 2016.

[8] 謝亞萍. 基于ARM和GPRS的遠程無線視頻監控系統設計[J]. 中國新通信, 2014,16(9): 117-118.

[9] 黎蓮花,李智,陶佑伍. 基于GPRS的工程機械遠程無線監控系統設計[J]. 儀器儀表與分析監測, 2005(1): 20-22.

[10] 陳博,甘志輝. NB-IoT網絡商業價值及組網方案研究[J]. 移動通信, 2016,40(13): 42-46.★

Design and Implementation of Lampblack Monitoring System Based on NB-IoT

SUN Dike
(Guangzhou Jushi Information Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China)

The air pollution in the city is the focus of the society. The lampblack emission in catering services draws much attention. The all-day monitoring of the lampblack is the diffi culty to the government regulators. Based on NBIoT technique, an online lampblack monitoring system was designed. Then, the implementation method was presented. By comparison, the advantages of the online lampblack monitoring system based on NB-IoT technique were demonstrated. The existing designing idea of lampblack monitoring systems was broken out. In the practical application, it can be benefi cial for the monitoring and management of the government regulators.

NB-IoT lampblack monitoring system design

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.22.009

TN919

A

1006-1010(2017)22-0041-05

孫迪科. 基于NB-IoT技術的油煙監控系統設計與實現[J]. 移動通信, 2017,41(22): 41-45.

2017-10-30

劉妙 liumiao@mbcom.cn

孫迪科：工程師，碩士畢業于中山大學，現任廣州巨時信息科技有限公司總經理，主要從事通信設計、咨詢、系統集成服務等工作，主要研究方向為通信行業企業運營及戰略規劃、轉型升級、物聯網產品研發與應用。