基于物联网技术的智能安全监测系统研究

2021-05-20孟庆志

科学技术创新 2021年12期

孟庆志刘庚

（济南祥控自动化设备有限公司，山东济南250101）

隧道施工现场、社区配电房、城市地下管廊等作业现场，容易产生积聚有毒有害气体，如甲烷、一氧化碳、硫化氢、六氟化硫等气体，而且由于通风不畅，致使氧气含量减少、二氧化碳浓度升高、温湿度失衡等，严重危及现场施工作业人员安全[1-3]。因此，很有必要在现场安装布置安全监测系统，以实现实时监测预警及联动保护。物联网新技术的发展与应用，为传统有线安装的安全监测系统提供了更多的技术创新选择[4-5]。

LoRa 是低功耗广域网通信技术中的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa 技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本等特性，改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。

窄带物联网（NB-IoT）技术是一种聚焦于低功耗广覆盖物联网市场的新兴技术，具有广覆盖、低成本、低功耗、支持海量连接等特点，并且在地下封闭区域具有很好的穿透能力[6]。

本文运用LoRa 和NB-IoT 物联网传输技术，研究设计一种智能安全监测系统，以实现灵活移动布置传感器及数据采集终端、可靠无线传输数据、实时监测报警及联动等安全监测功能。

1 系统架构

智能安全监测系统主要包括传感器组、LoRa 数据采集终端、现场监控主机和云平台服务器。系统架构如图1 所示。

传感器组用于采集现场区域内的气体浓度、粉尘浓度、温湿度等环境数据，并通过现场总线连接至LoRa 采集终端。可根据现场监测区域大小，布置不同组数的传感器单元节点。

LoRa 采集终端实时采集汇总各传感器数据，并通过LoRa通信模块将数据上传至现场监控主机。对于长距离现场无线传输，LoRa 采集终端兼具有中继器功能。

现场监控主机实时接收、处理和显示各LoRa 采集终端上传的环境数据，并将环境数据按照CoAP 协议进行封装打包，然后通过NB-IoT 模组传输至云平台服务器。

当传感器数据超出报警阈值时，现场监控主机启动声光报警，提示现场施工作业人员及时采取应对措施，并根据实际应用需求进行风机、消防泵等设备联动控制。

现场管理人员可通过电脑浏览器或手机APP 访问云平台服务器，实时获取现场环境数据及预警信息。

图2 LoRa 模块接口电路图

图3 现场监控主机硬件结构图

图4 指令CoAP 功能示意图

2 硬件设计

2.1 数据采集节点设计

数据采集节点包括传感器组和LoRa 数据采集终端，现场可分为多个传感器采集区域，每个区域布置一套数据采集节点设备。

根据具体应用需求，传感器组主要由甲烷浓度检测仪、一氧化碳检测仪、氧气浓度检测仪、二氧化碳检测仪、六氟化硫检测仪、粉尘浓度检测仪和温湿度检测仪等组合而成。

LoRa 数据采集终端与采集节点内的各传感器通过RS485总线进行通信，实时采集各传感器数据，并将传感器数据通过LoRa 通信模块上传至现场智能监控主机。

LoRa 通信模块采用有人物联网公司的WH-L101-L 模块。模块支持点对点通信协议，可实现UART 转LoRa 数传功能；传输距离可达3500 米，可满足几乎所有现场传输距离要求；支持低功耗工作模式；接收灵敏度可达-138.5 dBm，接收灵敏度高，抗干扰性强；支持数据加密传输，安全性高；支持AT 指令配置，内置看门狗，稳定运行不死机。LoRa 通信模块接口电路图如图2 所示。

LoRa 数据采集终端设计有外部触发按键接口，可实现低功耗模式下外部实时唤醒和实时时钟定时唤醒两种软件唤醒模式。

数据采集节点支持交流市电供电和充电电池组供电，以适应具有不同供电条件的现场应用。

2.2 现场监控主机设计

现场监控主机硬件结构如图3 所示，主要包括电源管理单元、控制板、触摸屏显示器、声光报警接口、红外人体感应模块接口、NB-IoT 模组接口、LoRa 通信模块和功能按钮接口。

控制板通过LoRa 通信模块接收各LoRa 数据采集终端上传的传感器数据，并通过NB-IoT 模组及移动基站网络与云平台服务器建立连接，将按照CoAP 协议封装打包处理的环境数据传输至云平台服务器。当传感器数据超出报警阈值时，控制板启动主机声光报警器，进行超限声光报警，并根据控制逻辑联动控制风机、消防泵等设备，执行通风换气或灭火降温操作。

触摸屏显示器实时读取控制板数据寄存器区的各传感器数据，并进行画面显示。触摸屏显示器通过存储卡实现数据存储，可进行历史报警记录、历史数据、趋势图查看。通过功能按钮可执行切换画面、报警确认、就地手动控制等操作。

现场监控主机一般安装于现场入口处，当有人员经过现场监控主机前时，主机红外人体感应模块进行人体感应报警，并轮流播放当前现场内部环境数据，以供人员判断是否具备进入现场进行施工作业的条件。

3 软件设计

3.1 数据采集终端运行机制

LoRa 数据采集终端支持实时传输和低功耗传输两种模式。对于具备交流电源供电或大功率电池组供电的场合，可采用实时传输方式。

对于低功耗应用场景，为最大限度的延长电池使用时间，LoRa 数据采集终端执行唤醒机制，每次定时通信结束后自动进入休眠状态，同时将各传感器接口断电。终端可通过外部按键中断触发唤醒和内置实时时钟定时唤醒。

3.2 现场监控主机数据传输协议

现场监控主机与云平台服务器之间采用NB-IoT 技术支持的CoAP 协议格式进行环境数据传输[7][8]。CoAP 与HTTP 相似，同样采用了REST 风格架构，用统一资源标识符对可进行GET、PUT、POST、DELETE 等无状态操作的传感器网络上的资源进行抽象和标志[9]。CoAP 传输需要经过CoAP 协议封装，比UDP 通信更加可靠。

主机采用AT 指令实现数据的接收和发送，指令CoAP 功能如图4 所示。

以GET 流程为例，主机发起请求，类型为CON，0.01 代表GET 请求，MID 为请求消息ID；云平台服务器收到请求后，将会返回应答2.05，MID 保持不变，并且返回具体参数Payload。