基于窄帶網絡的熱機監(jiān)測系統設計

孔祥飛 王松亭 陳秀華 張春曉 張立 劉忠強

【摘 ?要】本文基于窄帶蜂窩的物聯網覆蓋能力強、低復雜度、低功耗、時延低敏感、移動性強等特點構建部署移動物聯傳感器系統。并以此設計拖拉機用熱機的檢測系統及運行參數的監(jiān)測。可以實時掌握被監(jiān)測系統的健康狀態(tài)和安全運行情況，并建立其大數據分析判斷及管理系統，亦可將所有數據及相關信息上傳云端共享。

一、引言

近年來，物聯網發(fā)展迅速，世界萬物都可以通過互聯網相互連接，在IoT業(yè)務不斷發(fā)展的同時物聯網通信技術不斷發(fā)展。目前，NB-IoT標準已經成熟，端到端的產業(yè)鏈也在快速的發(fā)展，這為NB-IoT網絡的部署奠定了條件。

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，為保證車輛使用的安全、節(jié)能和環(huán)保，使車輛在使用過程中能夠得到及時的保養(yǎng)和維修，恢復車輛性能，車輛智能檢測與診斷技術和裝備便成為不可或缺的重要部分，其核心熱機部分的檢測測試極為重要。

二、窄帶實時網絡部署

窄帶實時網絡是指窄帶物聯網（NarrowBand-InternetofThings）技術。NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網（IoT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。NB-IOT使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網絡共存。它有以下幾個特點：

1、低功耗：NB-IoT模塊可以工作在3種狀態(tài)，以便節(jié)約功耗。在PSM模式下最大耗流為 5uA，在IDLE模式下大約為6mA。根據TR45.820的仿真數據，5Wh的電池每天發(fā)送200bytes的數據，預計可使用12.8年。

2、強鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數。這就意味著我們可以在一個不太大的空間，放置更多設備而互相又不會有干擾。

3、廣覆蓋：將提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力。

4、低成本：無論是模塊成本，還是供電、通訊運營成本都比其他無線裝置便宜。隨著NB-IoT的發(fā)展，單個連接模塊的預期價格不超過5美元，甚至會低至2美元。

本設計采用一種基于區(qū)域NB-IOT設備數據采集系統。利用區(qū)域中不可篡改和不可偽造的分布式存儲特點，將設備采集數據存放到區(qū)域架構的網絡數據庫中，即便單一節(jié)點被篡改，也無法使篡改的數據生效，大大提高了NB-IOT 網絡的安全性。

一種基于區(qū)域中的NB-IOT設備數據采集系統，主要由NB-IOT終端、設備基站、服務器等三部分組成;其中，NB-IOT終端采用市面上已由的通用NB-IOT模組+MCU模式，采用UDP通信方式，將服務器地址設置為各個區(qū)域服務器地址;設備基站為電信或移動運營商的基站，需將區(qū)域服務器地址在運營商注冊備案，通過私有協議，打通基站與區(qū)域服務器的連接通道，即NB-IOT核心網與區(qū)域服務器之間采用TLS通信協議，防止信息被篡改，保證數據的安全、可靠、完整性;利用區(qū)域服務多組形式，或者異地多活機制的特點，形成節(jié)點之間通過P2P 連接方式，架設區(qū)域服務器集群，可集中部署也可分布式部署，分布數量越多，安全性越高。具體部署如圖1所示。

在網絡部署實施設計時，我們采用基于LTE的NB-IoT無線網絡部署方法，包括步驟：在NB-IoT無線網絡待部署區(qū)域內，標記全部的n個LTE基站，根據NB-IoT小區(qū)半徑，將NB-IoT覆蓋區(qū)域劃分成n個網格;根據基站信息和覆蓋信息，選擇m（m<n）個LTE基站作為NB-IoT待部署基站;統計m個待部署網格內物聯網終端數、物聯網流量總數、SMS業(yè)務總量以及網格總收入;統計NB-IoT網格部署建議值，將待部署網格進行優(yōu)先級分類;最后根據待部署網格的優(yōu)先級等級，分階段部署NB-IoT，使NB-IoT網絡規(guī)劃資源更加合理。

三、熱機檢測平臺的設計

我們采用NB-IoT的廣域網直連的在線監(jiān)控系統，應用于熱機檢測系統，監(jiān)測熱機系統的溫度、壓力、轉速和流量等信息。包括：主控單元、測量模塊、采集處理模塊、NB-IoT數據遠傳通訊模塊、電源模塊、云服務器端、PC遠程終端、移動查看終端。

所述測量模塊采用溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器和轉速傳感器等實現熱機系統物理參數的測量，所述采集處理模塊接收所述測量模塊的溫度、壓力、流量等數據，并通過NB-IoT數據遠傳通訊模塊將采集數據傳通過NB-IOT模塊傳送至云端服務器，所屬PC查看終端、移動查看終端均可通過訪問服務器端獲取測量模塊的數據，以及對數據采集模塊、參數測量模塊進行配置更改。服務器端內部署了對所傳數據的管理軟件系統，PC查看終端和移動查看終端內置了訪問服務器的應用APP。移動查看終端采用智能手機和平板電腦。

所屬的采集處理模塊還集成了近端通訊模塊和顯示模塊，移動查看終端還可通過集成的數據近端通訊模塊現場直接通訊，直接獲取測量模塊中數據以及對數據采集模塊、測量模塊進行初始化和更改配置。所述顯示模塊可現場顯示測量模塊的測量溫度、壓力數據。

四、結論

本設計利用NB-IOT網絡，終端測量，云端共享，廣域服務等技術，對熱機檢測系統既增強了各個系統間通信的實時性、穩(wěn)定性和容錯性，也使得外部技術中心能夠對實驗臺架進行遠程監(jiān)控以及數據共享等。

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