基于窄带网络的热机监测系统设计

孔祥飞 王松亭 陈秀华 张春晓 张立 刘忠强

【摘  要】本文基于窄带蜂窝的物联网覆盖能力强、低复杂度、低功耗、时延低敏感、移动性强等特点构建部署移动物联传感器系统。并以此设计拖拉机用热机的检测系统及运行参数的监测。可以实时掌握被监测系统的健康状态和安全运行情况，并建立其大数据分析判断及管理系统，亦可将所有数据及相关信息上传云端共享。

一、引言

近年来，物联网发展迅速，世界万物都可以通过互联网相互连接，在IoT业务不断发展的同时物联网通信技术不断发展。目前，NB-IoT标准已经成熟，端到端的产业链也在快速的发展，这为NB-IoT网络的部署奠定了条件。

随着汽车工业的迅速发展，为保证车辆使用的安全、节能和环保，使车辆在使用过程中能够得到及时的保养和维修，恢复车辆性能，车辆智能检测与诊断技术和装备便成为不可或缺的重要部分，其核心热机部分的检测测试极为重要。

二、窄带实时网络部署

窄带实时网络是指窄带物联网（NarrowBand-InternetofThings）技术。NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。它有以下几个特点：

1、低功耗：NB-IoT模块可以工作在3种状态，以便节约功耗。在PSM模式下最大耗流为 5uA，在IDLE模式下大约为6mA。根据TR45.820的仿真数据，5Wh的电池每天发送200bytes的数据，预计可使用12.8年。

2、强链接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。这就意味着我们可以在一个不太大的空间，放置更多设备而互相又不会有干扰。

3、广覆盖：将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力。

4、低成本：无论是模块成本，还是供电、通讯运营成本都比其他无线装置便宜。随着NB-IoT的发展，单个连接模块的预期价格不超过5美元，甚至会低至2美元。

本设计采用一种基于区域NB-IOT设备数据采集系统。利用区域中不可篡改和不可伪造的分布式存储特点，将设备采集数据存放到区域架构的网络数据库中，即便单一节点被篡改，也无法使篡改的数据生效，大大提高了NB-IOT 网络的安全性。

一种基于区域中的NB-IOT设备数据采集系统，主要由NB-IOT终端、设备基站、服务器等三部分组成;其中，NB-IOT终端采用市面上已由的通用NB-IOT模组+MCU模式，采用UDP通信方式，将服务器地址设置为各个区域服务器地址;设备基站为电信或移动运营商的基站，需将区域服务器地址在运营商注册备案，通过私有协议，打通基站与区域服务器的连接通道，即NB-IOT核心网与区域服务器之间采用TLS通信协议，防止信息被篡改，保证数据的安全、可靠、完整性;利用区域服务多组形式，或者异地多活机制的特点，形成节点之间通过P2P 连接方式，架设区域服务器集群，可集中部署也可分布式部署，分布数量越多，安全性越高。具体部署如图1所示。

在網络部署实施设计时，我们采用基于LTE的NB-IoT无线网络部署方法，包括步骤：在NB-IoT无线网络待部署区域内，标记全部的n个LTE基站，根据NB-IoT小区半径，将NB-IoT覆盖区域划分成n个网格;根据基站信息和覆盖信息，选择m（m<n）个LTE基站作为NB-IoT待部署基站;统计m个待部署网格内物联网终端数、物联网流量总数、SMS业务总量以及网格总收入;统计NB-IoT网格部署建议值，将待部署网格进行优先级分类;最后根据待部署网格的优先级等级，分阶段部署NB-IoT，使NB-IoT网络规划资源更加合理。

三、热机检测平台的设计

我们采用NB-IoT的广域网直连的在线监控系统，应用于热机检测系统，监测热机系统的温度、压力、转速和流量等信息。包括：主控单元、测量模块、采集处理模块、NB-IoT数据远传通讯模块、电源模块、云服务器端、PC远程终端、移动查看终端。

所述测量模块采用温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器和转速传感器等实现热机系统物理参数的测量，所述采集处理模块接收所述测量模块的温度、压力、流量等数据，并通过NB-IoT数据远传通讯模块将采集数据传通过NB-IOT模块传送至云端服务器，所属PC查看终端、移动查看终端均可通过访问服务器端获取测量模块的数据，以及对数据采集模块、参数测量模块进行配置更改。服务器端内部署了对所传数据的管理软件系统，PC查看终端和移动查看终端内置了访问服务器的应用APP。移动查看终端采用智能手机和平板电脑。

所属的采集处理模块还集成了近端通讯模块和显示模块，移动查看终端还可通过集成的数据近端通讯模块现场直接通讯，直接获取测量模块中数据以及对数据采集模块、测量模块进行初始化和更改配置。所述显示模块可现场显示测量模块的测量温度、压力数据。

四、结论

本设计利用NB-IOT网络，终端测量，云端共享，广域服务等技术，对热机检测系统既增强了各个系统间通信的实时性、稳定性和容错性，也使得外部技术中心能够对实验台架进行远程监控以及数据共享等。

参考文献：

[1]  戴博 袁戈非 余媛芳  窄带物联网（NB-IOT）标准与关键技术    2016

[2]  Ericsson.Ericsson Mobility Report [EB/OL].（2016-9-12）.

[3]  張建国，徐福永，杨东来 LTE-M关键技术研究[A].面向5G的LTE网络创新研讨会.2016