基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程移动监控系统*

廖炜森 邓伟军 徐光煌 谭小卫

基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程移动监控系统*

廖炜森1邓伟军2徐光煌2谭小卫2

（1.广州至正检测技术有限公司 2.新菱空调（佛冈）有限公司）

为满足冷却塔实时化、远程移动监控的需要，设计一款基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程移动监控系统。该系统首先通过监控节点实时采集冷却塔运行的3大参数，通过NB-IoT以数据帧的形式传输至核心网，并转发至用户服务器；然后用户服务器的侦听程序将数据解帧后存入数据库；最后由网页接口程序读取数据库中的数据并在微信小程序中显示，微信小程序完成参数设置后回发到监控节点，实现风机、水泵的控制。现场应用验证表明：该系统可实现冷却塔远程移动管理及故障报警，在提高使用便捷性的同时降低了监控成本。

冷却塔；NB-IoT；远程监控

0 引言

为节约用地，冷却塔一般安装在楼顶或地下空间，运行环境具有噪声大、日晒雨淋或潮湿阴暗等特点。运行环境差、维护工作不到位，导致冷却塔的运行状况得不到有效监管，因此采用便捷的技术手段实现冷却塔远程监控与故障报警功能具有重要意义。

近年来，研究人员逐步开展网络化测控技术在冷却塔远程监控的应用研究。天津科技大学曹冬冬等[1]采用组态软件对冷却塔群组进行节能控制与远程监控，但该系统仅实现了风机的控制，不涉及冷却塔具体运行状况的监控。华南理工大学叶季衡等[2]开发了冷却塔热力性能在线监测仪与远程监控平台，该监测仪能够实时采集参数，与计算机连接后再通过Internet与网络服务器建立连接，实现监测平台的远程管理，同时可通过3G模块实现短信查询与报警等功能。但该监测仪尺寸较大，无“三防”设计，现场需额外设置环境较好的区域放置，实际布设困难，监控成本较高，且通过短信查询较为落后。

随着物联网技术的快速发展，采用物联网技术实现冷却塔远程监控逐渐成熟。窄带物联网（NB-IoT）作为低功耗广域物联网的一种，相比其他低功耗广域物联网技术，无需额外部署基站，具有极大优势[3-4]。NB-IoT解决了物联网关键需求，如部署灵活、复杂性低、电池寿命长、支持大规模部署等。这些优势使得NB-IoT在智能抄表、智能监控、智慧城市、智能农业和其他物联网领域得到广泛应用[5-6]。本文在前期积累的冷却塔智能传感与优化控制技术基础上[2,7-11]，研究基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程监控，搭建监控系统框架，并对关键模块进行设计，开发一款监控成本低、操作便捷的监控系统。

1 监控系统框架设计

1.1 监控系统功能设计

冷却塔远程监控系统需要实现环境参数、运行参数和电参数3大参数监测、远程移动监控等。为达到上述监控目标，监控系统需设计以下功能[5]：

1）数据采集，监控系统应能实时、准确采集冷却塔3大参数；

2）参数设置，主要包括关键参数的上下限设置以及执行机构的优化控制输入；

3）数据存储，对监控系统运行期间获取的大量实时数据进行存储备份，以备后续查阅；

4）数据显示，监控系统需将实时采集的信息反映给管理员，同时能将故障报警信息以及其他检修信息发送给维修人员；

5）移动管理，在移动终端可完成实时查询监测结果与远程控制操作。

1.2 监控系统框架

根据以上功能需求，设计基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程移动监控系统架构如图1所示，由监控节点、核心网和人机交互系统等组成。

图1 基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程移动监控系统架构

1.3 监控系统工作流程

基于NB-IoT和微信小程序冷却塔远程监控方案如图2所示。

图2 基于NB-IoT和微信小程序冷却塔远程监控方案

监控系统的工作流程：1）监控节点将实时采集的3大参数信息以数据帧的形式通过NB-IoT网络传输到核心网；2）核心网管理服务器将获得的数据帧通过Internet转发至用户服务器；3）用户服务器的侦听程序将数据解帧后存入数据库；4）网页接口程序读取数据库中的数据并在管理员的微信小程序中显示，管理员可查阅各自的监控节点信息，并修改监测、控制参数；当遇到故障时，可在微信小程序实时向管理员和维修人员推送故障信息，维修人员解决故障后通过微信小程序反馈至管理服务器后更新故障信息；5）微信小程序修改后的指令经管理服务器，依次通过Internet、NB-IoT传输方式反馈给监控节点，实现参数修改。

2 关键模块设计

2.1 监控节点的识别和数据传输的帧格式

每个监控节点内装有SIM卡，SIM卡具有唯一IMSI号，核心网可通过IMSI号对监控节点进行准确识别。管理服务器从监控节点和用户服务器发来的数据中提取IMSI号，并通过它在监控节点和用户服务器之间建立联系，使得管理服务器能够对数据进行转发[12]。数据发送采用自定义数据帧格式，如图3所示。

帧头(2字节)IMSI号(15字节)帧长(2字节)有效数据(258字节)CRC校验码(2字节)帧尾(2字节)

2.2 数据库设计

用户服务器的侦听程序将数据解帧后存入数据库。由于涉及的数据量较大（除了各种实时运行数据外，还有长时间运行产生的大量历史数据），因此需要对数据库进行重点设计，以实现数据的存储、管理和查询。针对本监控系统的特点，采用SQL Server可满足对数据进行高效管理与维护的需求。

远程监控平台数据库数据表结构图如图4所示。为实现用户管理、参数监测和故障告警等功能，需对各模块进行相应信息表设计，冷却塔监测参数信息表如表1所示。

图4 数据库数据表结构图

表1 冷却塔监测参数信息表

2.3 微信小程序设计

微信小程序界面如图5所示。图5(a)显示实时数据。由于监控系统可实现多个冷却塔组网化管理，因此，用户服务器同时存在多个监控节点访问，界面中的“当前为第861帧”指的是当前用户服务器数据库中的总帧号；“当前帧号”值105仅指本监控节点（IMSI号为“450039686505342”）对应数据库中的当前帧号；“历史数据”可通过点击页面“上一帧”和“下一帧”查阅；“告警记录”可浏览历史发生的故障告警记录。图5(b)显示出水温度超过设置上限时触发的故障告警通知，点击“进入小程序查看”可快速访问图5(a)显示的页面。

3 结语

基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程移动监控系统采用低功耗的NB-IoT无线通信模块解决监控节点数据的远距离无线传输问题，利用微信小程序实现用户的远程移动管理。通过用户和维修人员的试点应用验证表明：本文设计的基于NB-IoT和微信小程序的冷却塔远程移动监控系统操作便捷，能有效提高工作效率，减少监控人力物力，具有较好的应用前景。

[1] 曹冬冬.群组冷却塔风机优化节能控制系统的研究[D].天津:天津科技大学,2014.

[2] 叶季衡.湿式冷却塔热力性能在线监测仪与远程监控平台研制[D].广州:华南理工大学,2014.

[3] 谢东海,杨洋,席晨晨.NB-IoT技术在表计行业的应用[J].数字技术与应用,2018,36(8):45-46.

[4] 许剑剑.基于NB-IoT的物联网应用研究[D].北京:北京邮电大学,2017.

[5] Wang H, Fapojuwo A O. A survey of enabling technologies of low power and long range machine-to-machine communi-cations[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2017, 19(4):2621-2639.

[6] Gozalvez J. New 3GPP standard for IoT [Mobile Radio] [J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2016, 11(1):14-20.

[7] 刘文浩.基于CFD逆流湿式冷却塔热力性能监控系统与远程监控平台[D].广州:华南理工大学,2016.

[8] 刘桂雄,叶季衡,肖若,等.冷却塔热力性能在线监测装置及系统研制[J].中国测试,2013,39(4):64-68.

[9] 刘桂雄,叶季衡.一种冷却塔热力性能评估方法及系统:中国,CN103293013A[P].2013-09-11.

[10] 刘桂雄,刘文浩,洪晓斌,等.基于TBVMC 湿式冷却塔热力性能快速评估方法[J].中国测试,2014,40(6):1-5.

[11] 谭小卫,刘文浩,刘桂雄,等.TBVMC的冷却塔热力性能优化控制方法[J].中国测试,2017,43(1):112-115.

[12] 吴薇,王宜怀,黄鑫,等.基于NB-IoT和微信小程序的远程移动实时温湿度监控系统的设计[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2018,39(4):68-74.

Cooling Tower Remote Mobile Monitoring System Based on NB-IoT and WeChat Mini Program

Liao Weisen1Deng Weijun2Xu Guanghuang2Tan Xiaowei2

(1. Guangzhou Zhizheng Testing Technology Co., Ltd. 2. SINRO Air-Conditioning (Fogang) Co., Ltd.)

In order to meet the needs of real-time cooling tower monitoring and remote mobile monitoring, a cooling tower remote mobile monitoring system based on NB-IoT (Narrow Band-Internet of Things) communication was designed. The system collects the three parameters of the cooling tower operation in real time through the monitoring node, transmits it to the core network through the NB-IoT in the form of data frames, and forwards it to the user server. The user server's listening program deframes the data and stores it in the database. Finally, the data in the database is read by the web interface program and displayed in the WeChat Mini Program. After the parameter setting is completed in the WeChat Mini Program, it is sent back to the monitoring node to realize the control of the fan and the water pump. Field application verification shows that the system realizes remote movement management and fault alarm of the cooling tower, improving the convenience of use and reducing the monitoring cost. Compared with the traditional cooling tower monitoring device, it has the advantages of real-time performance, low power consumption and low cost, and has wide application value.

Cooling Tower; NB-IoT; Remote Monitoring

国家重点研发计划项目（2017YFC0704100）

廖炜森，男，1981年生，本科，工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。E-mail: 44539895@qq.com

邓伟军，男，1978年生，专科，高级工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。

徐光煌，男，1978年生，专科，工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。

谭小卫，女，1971年生，本科，高级工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。