基于窄帶物聯網技術的電泵監控系統設計

丁勁鋒，劉 成，穆紹帥

（1.無錫太湖學院 機電工程學院，無錫 214000；2.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074）

用于核電站、航天火箭發射前燃料加注等地方的屏蔽泵由于其工作環境特殊，取消了泵軸動密封結構的泵，電動機驅動部件、泵殼和電機的外殼用法蘭密封連接，對屏蔽泵的安全監控是必須要做的工作。因此，對于電泵設備數量較多、數據傳輸距離遠的情況下，需要設計一個好的電泵監測管理系統，為實現電泵的監測管理提供方便。現文章所提內容已經設計完成。

1 網絡選擇

NB-IoT指窄帶物聯網技術，是新興的物聯網無線通信技術[1]。相比于 ZigBee、WiFi、藍牙、Z-wave 等只能實現數據的短距離傳輸的通信技術，其具有以下特點[2]：

低功耗NB-IoT采用PSM和eDRX技術，睡眠模式狀態下，終端仍舊注冊在網但信令不可達，以達到省電的目的。

大容量NB-IoT的接入能力是現有無線技術的50～100倍，一個扇區可接入10萬個設備，負載能力強。

覆蓋廣NB-IoT相對于GSM通信提高20 dB增益，相當于覆蓋量增加100倍。具有更高的穿透能力，可覆蓋到傳統通訊傳輸不能到達的偏遠和人跡罕至的區域。降低了監測管理系統的信息采集點部署要求。

低成本NB-IoT可利用現有的GSM頻段，部署于GSM、LTE基站上，無需重新建網。

2016年新型的NB-IoT被國際標準組織3GPP最終確定為物聯網空中接口方案。據相關數據[3]，在2020年，接入互聯網的設備中應用物聯網通信技術的比例將達到64%。

2 系統總體方案設計

本系統采用模塊化、結構化設計，遵循物聯網分層架構，由電泵終端、傳輸層、平臺層、移動終端組成，總體架構如圖1所示。

圖1 監測系統整體架構Fig.1 Overall architecture of the monitoring system

第一層為電泵終端層。電泵的運行數據由多種傳感器采集完成。之后采用RS485協議將采集的設備運行狀態數據傳輸給微控制器，嵌入式網關對接收到的數據進行算法處理并對實時數據進行監控，如果發現電泵某些運行數據超過安全閾值，則控制智能閥門進行制動處理[4]。

第二層為傳輸層。嵌入式網關通過NB-IoT模塊將電泵的實時狀態信息發送到電信NB-IoT基站，NB-IoT基站將數據上傳至遠程IoT網絡服務器平臺。

第三層為平臺層。后臺服務器通過Internet網絡接收采集的數據，服務器是IoT數據的最終匯聚點，并將數據保存在數據庫中，是該監測系統的智能控制核心。

第四層為移動終端層。可搭建監控平臺，訪問后臺服務器從電泵終端獲取的數據信息，進過對信息資源進行整合與共享后以Web顯示或手機APP，提高了信息可視化與可操作性。

2.1 電泵終端系統設計

電泵系統終端的設計架構如圖2所示，控制器網關采用嵌入式ARM Cortex-M3 STM32F103C8T6芯片，利用主控板、總線設備、板載電流型傳感器、無線通信、SIM卡等模塊進行驅動、采集、控制和數據傳輸。

圖2 終端系統設計架構Fig.2 Terminal system design achitectu

電源模塊為主控制板和NB-IoT通信模塊等部件提供穩定的工作電壓，數據采集模塊完成數據采集，RS485通訊完成不同控制板之間數據傳輸。GPIO模塊是通用I/0模塊，是微控制器與外圍設備進行信息交換的接口。無線通訊模塊完成數據遠程傳輸。

2.1.1 終端數據采集模塊

數據采集模塊用來將傳感器采集到的溫度、電壓、電流、壓力信息通過RS485傳輸到主控制板上的MCU，MCU微處理器借助程序設計[5]，將嵌入式網關實時采集到的數據處理，上傳給服務器并把數據存儲到數據庫。當采集的電壓或溫度等信息超過預置閾值時，單片機控制報警顯示燈亮，并同時控制電泵制動，數據采集板電路原理圖如圖3所示。

2.1.2 電源管理及穩壓電路模塊

圖3 數據采集板原理圖Fig.3 Schematic diagram of the data acquisition board

電源電路的穩定是系統正常工作的基礎。圖4所示電路中的AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩壓器，適用于小型計算機系統接口終端的電源管理[6]，在本設計中為主控制板的MCU及其復位電路等供電。圖中C3、C4是輸出濾波電路，用來抑制自激振蕩，C1、C2是出入濾波電路，用來穩定輸入電壓，一般設置輸入端電容大于輸出端，可避免斷電電壓倒置。

圖4 主電源電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of the main power supply circuit

圖5所示電路中的MIC29302BU芯片組成的穩壓電路主要為M5310模塊供電。MIC29302集成芯片輸入電壓的最大值可以是26 V，輸出端可控制電壓在1.25 V～25 V范圍內，輸出端最大電流3 A。本設計中輸入端采用5 V供電，電容C18、C19用來保證斷電穩壓，電阻R16、R17用來配置輸出電壓，輸出端接一個穩壓二極管來保護電路。

圖5 NB-IoT模塊電路原理Fig.5 NB-IoT module circuit principle

2.1.3 NB-IoT廣域物聯模塊

本設計中NB-IoT模塊選用的是中國移動的M5310模組[7-8]，采用華為海思Hi2110平臺。內嵌eSIM技術，支持OneNET協議。工作頻段為band8。電壓輸入3.1 V～4.2 V。有開關機接口、UART接口、USIM接口、ADC接口。支持IPv4、CoAP和UDP等工作協議，在睡眠模式下具有超低功耗。單片機可通過串口使用AT-Command調試。在PSM工作模式下功耗僅為3.5 μA。

M5310模塊的功能是從微處理器獲取采集到的電泵運行狀況數據后將其傳輸到運營商基站，通過基站進入運營商核心網，數據通過核心網傳輸到阿里云服務器，實現系統數據的遠距離無線傳輸，用戶可以通過PC電腦和移動手機訪問服務器數據。NB-IoT物聯網通訊模塊電路圖如圖6所示。

圖6 NB-IoT物聯網通訊模塊原理圖Fig.6 Schematic diagram of the NB-IoT Internet of things communication module

為保證模組的USIM接口不會被ESD損壞，圖中物聯網卡卡槽的DATA，VDD，RST，CLK引腳通過TVS二極管陣列與卡槽連接。同時，模塊和物聯網卡卡槽之間串聯22電阻，抑制EMI雜散傳輸并增強ESD保護。

2.2 通信機制

無線通訊模塊NB-IoT使用之前首先需要購買運營商的SIM卡來存儲數據信息，需要運營商提供IMEI號碼、Key、鑒權算法、網絡選擇等[9-10]。本設計使用中國移動SIM卡。對于M5310模組，初始化流程由模組自動完成，使用中，只需要使用AT指令對初始化流程進行分步驟檢查即可，其主要功能如表1所示。首次使用需要設置設備ID和IoT平臺，其次終端入網，然后發送數據到IoT平臺。通過AT指令配置后NB-IoT模塊完成了與IoT平臺的對接。基本參數設置指令如表1所示。

表1 基本參數設置指令Tab.1 Basic parameter setting instructions

3 軟件設計

軟件設計包括平臺搭建、數據庫和云服務器、移動端軟件開發3個部分。

3.1 平臺搭建

3.1.1 數據庫與云服務器

數據庫服務器負責保存嵌入式網關通過COAP協議上傳的所有數據，包括設備狀態數據、參數異常告警、注冊賬號信息等。本設計數據庫使用MySQL開發，完成大量設備的管理，通過NB-IoT網絡將有效數據實時地從阿里云服務器下傳給監控平臺，監控平臺對數據和信息進行多維融合，以供在監測管理系統中的移動端查看多維數據變化情況圖。

3.1.2 移動端軟件開發

使用Java語言編寫Web service，結合高德地圖為監控人員提供界面友好、方便、高效的使用指引。Web界面如圖7所示，分三部分：第一部分為左側的導航頁面；第二部分為上層的菜單欄；第三部分為中間的敞口。

圖7 檢測系統Web界面Fig.7 Detection system Web bound

使用Java語言開發手機APP，由三部分組成：第一部分為頂部的標題欄，顯示當前菜單的名稱；第二部分為中間的窗體；第三部分為底部的菜單欄，有“首頁”菜單，“電泵管理”菜單，“我的”菜單。APP用戶界面如圖8所示。

圖8 檢測系統APP界面Fig.8 Detection system APP interfac

主要功能如圖9所示，包括：①使用用戶管理；②添加、注冊、刪除電泵；③對采集數據的查看，顯示電流、電壓、溫度、壓力等多維參數圖表；④接入高德地圖，直觀反映所有在役電泵的分布狀況；⑤出現故障時設置故障點閃爍，可遠程查看報警電泵的具體編號、報警時間、報警的位置。

4 結語

基于NB-IoT技術的監測管理系統的構建充分發揮了NB-IoT在機械工業中的應用優勢，即使在在信號弱的工廠中也能實現數據傳輸。實現了工業制造中的監控環節向著智能化方向演進，是將物聯網、云計算、大數據、嵌入式等技術在工業制造領域的整合，符合萬物互聯的發展大勢。本文介紹了基于NB-IoT無線通信技術的電泵監測管理系統，詳細分析了NB-IoT的終端硬件設計過程和移動端設計方法，為NB-IoT技術在智能監控上提供支持和參考價值。

圖9 電泵監測管理軟件系統功能結構Fig.9 Functional structure diagram of electric pump monitoring and management software system