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(lián)網(wǎng)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(gòu)建部署移動物聯(lián)傳感器系統(tǒng)。并以此設(shè)計拖拉機用熱機的檢測系統(tǒng)及運行參數(shù)的監(jiān)測?？梢詫崟r掌握被監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀態(tài)和安全運行情況，并建立其大數(shù)據(jù)分析判斷及管理系統(tǒng)，亦可將所有數(shù)據(jù)及相關(guān)信息上傳云端共享。

一、引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，世界萬物都可以通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接，在IoT業(yè)務不斷發(fā)展的同時物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)不斷發(fā)展。目前，NB-IoT標準已經(jīng)成熟，端到端的產(chǎn)業(yè)鏈也在快速的發(fā)展，這為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(wǎng)絡(luò)部署

窄帶實時網(wǎng)絡(luò)是指窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBand-InternetofThings）技術(shù)。NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應用的新興技術(shù)。NB-IOT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)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(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，5Wh的電池每天發(fā)送200bytes的數(shù)據(jù)，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(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。這就意味著我們可以在一個不太大的空間，放置更多設(shè)備而互相又不會有干擾。

3、廣覆蓋：將提供改進的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)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(shè)計采用一種基于區(qū)域NB-IOT設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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(shè)備采集數(shù)據(jù)存放到區(qū)域架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，即便單一節(jié)點被篡改，也無法使篡改的數(shù)據(jù)生效，大大提高了NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)的安全性。

一種基于區(qū)域中的NB-IOT設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由NB-IOT終端、設(shè)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(shè)置為各個區(qū)域服務器地址;設(shè)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(xié)議，打通基站與區(qū)域服務器的連接通道，即NB-IOT核心網(wǎng)與區(qū)域服務器之間采用TLS通信協(xié)議，防止信息被篡改，保證數(shù)據(jù)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(shè)區(qū)域服務器集群，可集中部署也可分布式部署，分布數(shù)量越多，安全性越高。具體部署如圖1所示。

在網(wǎng)絡(luò)部署實施設(shè)計時，我們采用基于LTE的NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)部署方法，包括步驟：在NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)待部署區(qū)域內(nèi)，標記全部的n個LTE基站，根據(jù)NB-IoT小區(qū)半徑，將NB-IoT覆蓋區(qū)域劃分成n個網(wǎng)格;根據(jù)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(tǒng)計m個待部署網(wǎng)格內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)、物聯(lián)網(wǎng)流量總數(shù)、SMS業(yè)務總量以及網(wǎng)格總收入;統(tǒng)計NB-IoT網(wǎng)格部署建議值，將待部署網(wǎng)格進行優(yōu)先級分類;最后根據(jù)待部署網(wǎng)格的優(yōu)先級等級，分階段部署NB-IoT，使NB-IoT網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃資源更加合理。

三、熱機檢測平臺的設(shè)計

我們采用NB-IoT的廣域網(wǎng)直連的在線監(jiān)控系統(tǒng)，應用于熱機檢測系統(tǒng)，監(jiān)測熱機系統(tǒng)的溫度、壓力、轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)速傳感器等實現(xiàn)熱機系統(tǒng)物理參數(shù)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(shù)據(jù)，并通過NB-IoT數(shù)據(jù)遠傳通訊模塊將采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，以及對數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)測量模塊進行配置更改。服務器端內(nèi)部署了對所傳數(shù)據(jù)的管理軟件系統(tǒng)，PC查看終端和移動查看終端內(nèi)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(shù)據(jù)近端通訊模塊現(xiàn)場直接通訊，直接獲取測量模塊中數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)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(xiàn)場顯示測量模塊的測量溫度、壓力數(shù)據(jù)。

四、結(jié)論

本設(shè)計利用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)，終端測量，云端共享，廣域服務等技術(shù)，對熱機檢測系統(tǒng)既增強了各個系統(tǒng)間通信的實時性、穩(wěn)定性和容錯性，也使得外部技術(shù)中心能夠?qū)嶒炁_架進行遠程監(jiān)控以及數(shù)據(jù)共享等。

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