基于物聯(lián)網(wǎng)的高溫預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韋國銳，林 濤

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

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)正在逐步形成。在國家提出“新基建”建設(shè)的背景下，產(chǎn)業(yè)鏈、生態(tài)鏈以及數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成的產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)快速興起。智能農(nóng)牧業(yè)、智慧城市、智能電網(wǎng)、智能交通、智能產(chǎn)業(yè)與智慧健康生活正在依托物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行秩序的重整與資源優(yōu)化配置，最終形成新的產(chǎn)業(yè)革命，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)如圖1所示。如何構(gòu)建高效、穩(wěn)定且低功耗的產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)，成為學(xué)者們探索的熱點(diǎn)[1]：張景[2]等通過介紹多種天基物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制，分析天基物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特征與趨勢，結(jié)果表明：進(jìn)一步解決大容量隨機(jī)、連續(xù)性泛在接入技術(shù)，低成本、低功耗和高安全傳輸一體化技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)階段面臨的主要挑戰(zhàn)。在智能消防預(yù)警系統(tǒng)的探索中。郝丹[3]利用現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)城市消防預(yù)警綜合管理系統(tǒng)，加強(qiáng)公共消防安全管理。付云崢[4]在全面分析智能化消防技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出信息采集與節(jié)點(diǎn)控制一體化智能消防系統(tǒng)，并進(jìn)行了開發(fā)和驗(yàn)證。呂銀華[5]等提出了智能消防預(yù)警系統(tǒng)解決方案的總體架構(gòu)，提高城市消防預(yù)警能力和規(guī)范化。傳感器技術(shù)及其能量采集方面：吳志東[6]等設(shè)計(jì)并開發(fā)基于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的傳感器自供電系統(tǒng)，可以收集環(huán)境能量，為傳感器檢測系統(tǒng)供電。翟英博[7]開發(fā)溫差發(fā)電模塊為道路的溫度、濕度以及內(nèi)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(shè)備上的應(yīng)用進(jìn)行說明，展望對其在物聯(lián)網(wǎng)終端的應(yīng)用。而在智能化消防系統(tǒng)常采用WiFi、ZigBee、電力載波等無線信息采集和傳輸技術(shù)，減少電源線且每個(gè)節(jié)點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)可視化。智能化消防系統(tǒng)控制靈活、節(jié)點(diǎn)及時(shí)性強(qiáng)且功耗低的特點(diǎn)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(hù)，否則影響系統(tǒng)的可靠性。

圖1 產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)示意圖

文章基于熱電轉(zhuǎn)換能量采集技術(shù)[9]，設(shè)計(jì)智能化高溫預(yù)警系統(tǒng)，保障系統(tǒng)終端的用能，降低系統(tǒng)能耗，為特殊環(huán)境，尤其是高溫環(huán)境下的預(yù)警系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能，降低系統(tǒng)維護(hù)成本，同時(shí)提高應(yīng)用場景數(shù)字化。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理

按照中國物聯(lián)網(wǎng)體系規(guī)范[10-11]，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由用戶域、資源交換域、服務(wù)提供域、運(yùn)維管控域、感知控制域和目標(biāo)對象域組成，各域之間的邏輯關(guān)系如圖2 所示。由于該體系模型是將整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)抽象化得出的，在定義和研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中可以起到良好的作用，可是在實(shí)際開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的過程中，該體系模型過于抽象難以被直接實(shí)現(xiàn)，通常結(jié)合具體應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。智能化高溫預(yù)警系統(tǒng)主要通過傳感器終端進(jìn)行數(shù)據(jù)感知、通訊服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)作為后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和具備監(jiān)控系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能為用戶提供服務(wù)，使高溫預(yù)警更加智能化、數(shù)字化。高溫預(yù)警系統(tǒng)可以按功能模塊進(jìn)行劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)各域之間的邏輯關(guān)系

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知終端收集高溫預(yù)警數(shù)據(jù)、感知終端運(yùn)行狀態(tài)等信息，通過智能化網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，后臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)與處置；巡檢人員，一線值班人員通過APP 客戶端接收預(yù)警信息；終端設(shè)備檢修、維護(hù)人員則通過APP 客戶端進(jìn)行終端設(shè)備的維護(hù)和檢測；高溫巡檢管理人員、政府部門、第三方機(jī)構(gòu)則通過Web 進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析與管理；以及預(yù)警信息的確認(rèn)和處理。數(shù)據(jù)墻則向相關(guān)管理部提供預(yù)警場景的數(shù)據(jù)展示，并建立多部門、跨部門協(xié)調(diào)辦公與管理機(jī)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(wěn)定性，準(zhǔn)確性直接關(guān)系到系統(tǒng)的總體性能。智能化高溫預(yù)警系統(tǒng)的無線終端結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其中包括熱電轉(zhuǎn)換能量采集模塊，升壓穩(wěn)壓模塊，蓄電元件，信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理器和信息接收與發(fā)送模塊。

圖4 無線終端結(jié)構(gòu)圖

該無線終端由熱電轉(zhuǎn)換能量采集模塊與蓄電元件提供電能，電能通過升壓穩(wěn)壓模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，并為信號(hào)采集器、數(shù)據(jù)處理器、信息接收與發(fā)送模塊提供電能；蓄電元件可以根據(jù)應(yīng)用場景需求進(jìn)行增減，通常情況下，對于無線終端應(yīng)用場景數(shù)據(jù)采集頻率交底，僅進(jìn)行高溫預(yù)警的情況下，可以去除蓄電元件。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)由信號(hào)采集器采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行加工，在傳遞到信息接收與發(fā)送模塊，將信號(hào)與云端進(jìn)行交互。熱電轉(zhuǎn)換能量采集模塊基于塞貝克效應(yīng)，當(dāng)兩種不同的熱電材料的一端通過優(yōu)良導(dǎo)體連接起來；另一端則分別用導(dǎo)體連接，且構(gòu)成一個(gè)閉合回路，在半導(dǎo)體的兩端形成溫度差或有熱流體經(jīng)過時(shí)，電偶臂兩端形成電勢差，電路中也會(huì)有電流產(chǎn)生，溫差越大，輸出電壓就越高。

2 高溫預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

2.1 高溫預(yù)警系統(tǒng)的總體框架

高溫預(yù)警系統(tǒng)由能量采集模塊、溫度采集器、信號(hào)采集器、通訊服務(wù)器、環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)并通過WiFi、ZigBee、LoRa 等方式與信號(hào)采集器進(jìn)行信號(hào)的傳輸，并通過通訊服務(wù)器與環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)連接，將數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)供監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用和管理。

圖5 高溫預(yù)警系統(tǒng)的總體框架

2.2 系統(tǒng)的關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)

綜合考慮到物聯(lián)網(wǎng)高溫預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用場景的特點(diǎn)[12-13]，高溫環(huán)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(qiáng)，傳送距離遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，但能耗高[14-16]。溫度采集模塊，考慮高溫環(huán)境下溫度傳感器的測量精度，數(shù)據(jù)處理器的耐溫區(qū)間以及成本之間的關(guān)系，通常情況下數(shù)據(jù)處理器的耐溫區(qū)間在-40～80℃之間，如果將芯片的耐溫區(qū)間增加到150℃，數(shù)據(jù)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(yù)警系統(tǒng)，綜合考慮信息傳送距離、能耗、數(shù)據(jù)傳輸方式、幾何尺寸、成本以及耐溫區(qū)間等情況下，將采用43 MHz 頻段的通信方式，在滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，降低系統(tǒng)的能耗，并采用熱電轉(zhuǎn)換能量采集技術(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時(shí)，熱能轉(zhuǎn)換為電能并為系統(tǒng)提供能量保障；而在數(shù)據(jù)處理器中，則采用結(jié)構(gòu)封裝保護(hù)工藝，增加隔熱材料，讓數(shù)據(jù)處理器遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩匆越档拖到y(tǒng)成本且保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

3 結(jié)束語

文章提出基于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)作為高溫預(yù)警系統(tǒng)無線終端的用能方案，并對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，無線終端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對系統(tǒng)關(guān)鍵的測溫、能耗以及信號(hào)傳輸模塊等關(guān)鍵功能與部件進(jìn)行了綜合評(píng)估，并提出解決方案。該系統(tǒng)將提高高溫預(yù)警系統(tǒng)的用能穩(wěn)定性與可靠性，極大節(jié)約了終端的線路成本與維護(hù)成本，尤其是在高溫條件下，其優(yōu)勢更加明顯。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)得到了推廣和應(yīng)用。