CN109831495A - 一种基于NB-IoT的智能无线甲烷监测装置、系统及方法 - Google Patents

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陈红岩
吴晶晶
胡前锦
盛伟铭
刘嘉豪
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Abstract

本发明提供一种基于NB‑IoT的智能无线甲烷监测装置、系统及方法。该装置可以包括:主控MCU、NB‑IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块;NB‑IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块均通过串口与主控MCU进行通讯,主控MCU接收甲烷传感器监测待测环境得到的甲烷浓度,控制GPS芯片获取待测环境的位置信息,控制NB‑IoT模块将甲烷浓度及位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;主控MCU在甲烷浓度达到预设阈值时控制声光报警模块发出警报。

Description

一种基于NB-IoT的智能无线甲烷监测装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及智能检测领域,尤其涉及一种基于NB-IoT的智能无线甲烷监测装置、系统及方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高,工业的飞速发展,涉及到甲烷气体的安全问题也随之越来越多。当甲烷浓度过高时,易导致人体窒息死亡。并且,甲烷气体的危险还在于它是易燃易爆气体,当遇有热源和明火时极易爆炸。因此,对甲烷气体的监测一直是人们十分关注的问题,市场上有各类监测仪器、装置等,但这些主要采用的是电化学类的甲烷传感器,使用寿命短,精度低。
在相关技术中,远程无线甲烷浓度监测系统一般都是基于蓝牙、ZigBee、WiFi等通信技术来传输数据,但是由于数据流量大、组网计算能力有限、电池消耗大的缺陷,难以大范围的普及应用。
发明内容
本发明提供一种基于NB-IoT的智能无线甲烷监测装置、系统及方法,以解决相关技术中的不足。
根据本发明实施例的第一方面,提供一种基于NB-IoT的智能无线甲烷监测装置,包括:
主控MCU、NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块;所述NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块均通过串口与主控MCU进行通讯,所述主控MCU接收甲烷传感器监测待测环境得到的甲烷浓度,控制GPS芯片获取所述待测环境的位置信息,控制NB-IoT模块将所述甲烷浓度及所述位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;主控MCU在甲烷浓度达到预设阈值时控制声光报警模块发出警报。
根据本发明人实施例的第二方面,提供一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统,包括:
智能无线甲烷监测装置、传输网络、物联网云平台和第三方应用,所述智能无线甲烷监测装置包括主控MCU、NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块,所述NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块均通过串口与主控MCU进行通讯,所述主控MCU接收甲烷传感器监测待测环境得到的甲烷浓度,控制GPS芯片获取所述待测环境的位置信息,控制NB-IoT模块将所述甲烷浓度及所述位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;主控MCU在甲烷浓度达到预设阈值时控制声光报警模块发出警报;所述第三方应用用于查看所述物联网云平台上数据及服务中心记录的甲烷浓度和位置信息,以监测与位置信息对应的甲烷浓度的变化。
可选的,所述传输网络由NB-IoT网络和Internet网络组成,所述NB-IoT模块通过NB-IoT网络将甲烷浓度和位置信息传输至物联网云平台,所述第三方应用通过Internet网络来查看所述物联网云平台上数据及服务中心记录的甲烷浓度和位置信息。
可选的,所述甲烷传感器为不分光红外甲烷传感器。
可选的,所述第三方应用为可对甲烷浓度和位置信息进行计算分析,实现预测性维护、预警服务功能的第三方管理平台和/或用户APP。
一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统的监测方法,其特征在于:其利用甲烷无线监测系统进行监测方法,所述甲烷无线监测系统包括智能无线甲烷监测装置、传输网络、物联网云平台和第三方应用,所述智能无线甲烷监测装置包括主控MCU、NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片,所述NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片均通过串口与主控MCU进行通讯;所述方法包括:
步骤S1,所述主控MCU控制甲烷传感器监测待测环境的甲烷浓度;
步骤S2,所述主控MCU接收甲烷传感器监测到的甲烷浓度;
步骤S3,所述主控MCU控制GPS芯片获取待测环境的位置信息;
步骤S4,所述主控MCU控制NB-IoT模块将甲烷浓度及位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;
步骤S5,所述第三方应用通过Internet网络来查看物联网云平台上数据及服务中心记录的甲烷浓度和位置信息,以监测与位置信息对应的甲烷浓度的变化。
可选的,
所述智能无线甲烷监测装置还包括声光报警模块,所述声光报警模块通过串口与主控MCU进行通讯;
所述方法还包括:步骤S6,当甲烷浓度达到预设阈值时,所述主控MCU控制所述声光报警模块发出警报。
可选的,步骤S6还包括:
所述主控MCU通过物联网云平台向所有第三方应用发送关于监测到的甲烷浓度达到预设阈值的警报信息。
本发明具有以下优点:
一方面,本发明可实现对待测区域甲烷浓度的有效监控。采用不分光红外甲烷传感器测量待测环境中甲烷气体的浓度并将浓度数据和位置信息传送给主控MCU,主控MCU再将浓度数据和位置信息通过NB-IoT模块发送到NB-IoT基站并上传到云端物联网平台,云平台再通过通信基站将数据传输至第三方管理平台和用户APP来随时查看甲烷气体的实时情况,可广泛应用于矿井、工厂、家庭和餐饮等需要监测甲烷浓度的场所。比如:当服务器收到甲烷气体浓度达到一定阈值的通知消息时,能够自动启动报警和预防装置等来实现对甲烷气体的智能监管,以及通对用户大数据的收集和分析来分析检测用户行为。这种智能无线传感器产品不仅覆盖广、功耗小、成本低、使用寿命长,而且可以广泛应用于各种客户端,给人们的生命财产安全提供了有力保障。
另一方面,本发明解决了传统甲烷传感器精度低、使用寿命短以及无法远距离通讯的问题。在智能通讯方面,本系统采用了NB-IoT模块,将甲烷传感器接入物联网,实现传感器数据的无线网络传输,并且具备外网访问功能。这样使传感器的覆盖距离更远,信号穿透能力更强,可以广泛适用于地表坑、地下室、高楼、地井等各种复杂环境,同时智能传感器的整体设计采用了低功耗的设计,使设备寿命延长至少10年,因为终端99%时间都处于PSM状态,只占用不到1%的功耗,大大降低了传感器的安装、运维成本。因为现有的无线传感器的数据传输故障70%都发生在网络传输中,而NB-IoT的海量连接功能可以支持10万个终端连接,连接容量增加百倍,有效解决数据拥堵和传输问题。通过NB-IoT模块将数据传输至物联网云平台后,用户可以通过第三方应用来获取统计后的可视化的甲烷浓度统计数据,远程实时监测某一场所甲烷的浓度。当甲烷浓度达到爆炸下限值时,主控MCU将控制报警装置发出警报声,同时通过物联网云平台向所有用户端发送警报信息,避免事故的发生。
附图说明
图1是根据一示例性实施例示出的一种智能无线甲烷监测装置的示意框图;
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统的架构图;
图3是根据一示例性实施例示出的一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统的监测方法。
具体实施方式
下面根据图示本发明优选实施例的附图,对本发明的构成和作用进行详细说明。
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网)技术作为新兴的数据传输技术,技术覆盖更广,可以改进室内覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的蓝牙、ZigBee、WiFi网络增益20dB,覆盖面积扩大100倍。同时,NB-IoT具备支撑海量连接的能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度,通过降低设备功耗和优化网络架构大大降低了设备成本和运维成本,节省了巨大的人力物力财力。相对于GPRS(GeneralPacket Radio Service,通用分组无线业务)技术具有退网风险,前景不明朗的情况,NB-IoT技术作为新兴技术,具有更大的发展前景和市场潜力,也必将引发数据传输领域的新一轮革命。
如图1所示,本发明提供的基于NB-IoT的智能无线甲烷监测装置,包括:主控MCU1(Micro Controller Unit,微控制单元)、甲烷传感器2(图1所示的为不分光红外甲烷传感器)、NB-IoT模块3、GPS芯片4及声光报警模块5。其中,不分光红外甲烷传感器1、NB-IoT模块3、GPS(Global Position System,全球定位系统)芯片4及声光报警模块5均通过串口与主控MCU1进行通讯,主控MCU1接收不分光红外甲烷传感器2监测待测环境得到的甲烷浓度,控制GPS芯片4获取待测环境的位置信息,并控制NB-IoT模块3将甲烷浓度及位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;主控MCU1在甲烷浓度达到预设阈值时控制声光报警模块5发出警报。
可选的,主控MCU1可选用ST(意法)32位Cortex-M4内核超低功耗STM32L4系列处理器。超低的8nA掉电模式和超低的28nA待机模式,待机模式下启动RTC时功耗仅有280nA;掉电模式唤醒仅需4μs。
可选的,NB-IoT模块3可选用已获得进网许可的BC95模组,模组型号为BC95-HB,为适用低功耗场景而设计,PSM(Power Saving Mode,省电模式)模式下耗电仅为5μA,寻呼模式下功耗可低至1mA,能够适合长期工作在无需替换、充电等的设备应用的场景下。
如图1-2所示,本发明提供的基于NB-IoT的甲烷无线监测系统,可以包括:智能无线甲烷监测装置(例如,可以包括智能无线甲烷监测装置1-3等)、传输网络、物联网云平台和第三方应用,智能无线甲烷监测装置(例如图中的任一智能无线甲烷监测装置)可以包括主控MCU1、NB-IoT模块3、甲烷传感器2、GPS芯片4及声光报警模块5。
其中,NB-IoT模块3、甲烷传感器2、GPS芯片4及声光报警模块5均通过串口与主控MCU1进行通讯。例如,串口可采用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步收发传输器)。如图1所示,NB-IoT模块3通过串口UART1与主控MCU1进行通讯,甲烷传感器2通过串口UART2与主控MCU1进行通讯,GPS芯片4通过串口UART3与主控MCU1进行通讯,声光报警模块5通过串口UART4与主控MCU1进行通讯。
进一步的,主控MCU1接收不分光红外甲烷传感器2监测待测环境得到的甲烷浓度,并控制GPS芯片4获取待测环境的位置信息,控制NB-IoT模块3将该甲烷浓度及位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心。作为一示例性实施例,主控MCU1在甲烷浓度达到预设阈值时可控制声光报警模块5发出警报。其中,第三方应用可用于查看所述物联网云平台上数据及服务中心记录的甲烷浓度和位置信息,以监测与位置信息对应的甲烷浓度的变化。
可选的,声光报警模块5包括发光二极管、有源蜂鸣器以及它们的驱动电路,在甲烷浓度达到危险浓度(比如,该预设阈值可设定为甲烷的危险浓度)时实现声光报警。主控MCU 1根据设定的报警点(即甲烷浓度的预设阈值),控制声光报警模块5发出声光报警。若监测到的甲烷浓度值大于等于报警点,则声光报警模块5发出声光报警,即蜂鸣器以报警频率发出声响,发光二极管以同样频率闪烁。
可选的,物联网云平台具有集成数据的存储、分类、处理、分析及数据可视化功能,在云平台可直接根据需要对每一个监测点进行数据提取及分析,有效实时监测甲烷浓度是否过高等情况。例如,物联网云平台可以为Huawei IoT云平台由OceanConnect和云网关组成,其提供了连接管理、设备管理、数据分析、API开放等基础功能;所述的OceanConnect是以IoT联接管理平台为核心的IoT生态圈。
可选的,传输网络可由NB-IoT网络和Internet网络组成,NB-IoT模块通过NB-IoT网络将甲烷浓度和位置信息的数据传输至物联网云平台,那么第三方应用可以直接通过Internet网络来查看数据。其中,NB-IoT网络包括NB-IoT基站,Internet网络包括通信基站。
进一步,智能无线甲烷监测装置可通过CoAP协议,实现与Huawei IoT云平台的数据交互,通过NB-IoT网络,连接到华为OceanConnect,上报智能无线甲烷监测装置所处环境的甲烷浓度和位置信息,并可以响应平台下发的指令。
可选的,甲烷传感器为不分光红外甲烷传感器,该不分光红外甲烷传感器由红外光源、光学气室、红外热释电探测器、前置放大电路和带通滤波电路组成。特别的,不分光红外甲烷传感器基于不分光红外检测原理,敏感元件选取钽酸锂晶体薄片,并采用铣磨键合减薄工艺。该传感器针对红外热释电探测器输出的特性设计了微弱信号放大电路,使用AD8552对红外热释电探测器输出的微弱信号进行放大、AD7190对滤波放大后的信号进行采样转化,采用软硬件相结合的方法来减少噪声干扰的影响,以及通过对不同浓度范围的标准甲烷气体进行实验测量,拟合得到探测器输出的电压差值之比和气体浓度之间的关系,根据得到的曲线和数据分析选择分段插值的浓度计算方法,实现了对甲烷气体进行实时测量的功能。
可选的,第三方应用为可对监测数据进行计算分析,实现预测性维护、预警服务功能的第三方管理平台和/或用户APP(Application,应用软件)。进一步,第三方应用通过调用云网关的业务API(Application Programming Interface,应用程序编程接口),进行对智能无线甲烷监测装置的管理、数据采集、命令下发,从而实现智能无线甲烷监测装置所处环境的甲烷浓度的实时监测。其中,第三方应用可运行于各类型的电子设备中;例如,PC(PersonalComputer,个人计算机)、手机、平板电脑等。
基于上述配置,物联网云平台和第三方应用可通过云平台提供的API接口和demo来开发,可以实现位置定位、设备管理、消息分发、远程升级预测性维护、预警等服务功能,同时高扩展的数据库、实时数据处理、智能预测离线数据分析、数据可视化展示等可以为客户提供多维度的业务运营服务。
在本实施例中,主控MCU首先需要完成对系统的初始化,然后进行预热,等待系统稳定后根据上位机指令生成对应频率的红外光源驱动信号,系统稳定是指检测到探测器信号能够稳定的输出。然后控制甲烷传感器的A/D芯片完成对甲烷信号的采集,再进行数字滤波和算法处理,如果超过危险阈值则控制声光报警模块发出警报,同时主控MCU将采集到的数据信息通过NB-IoT模块不断地发送出去,发送给NB-IoT基站,基站起到一个数据中继的作用,NB-IoT基站再将收集到的其信号覆盖范围内所有信息传输到物联网云平台进行数据整合和分域管理,云平台提供智能的数据分析应用功能可以实现实时数据处理和数据可视化展示等业务运营服务。同时也可以通过运营商Internet网络传输到第三方管理平台和智能移动设备。用户通过第三方管理平台或智能移动设备(即第三方应用;例如,可以是微信、QQ、短信等APP)即可实现对监测区域甲烷气体泄露的有效监控。相比现有技术,可以实现对监测区域甲烷气体泄露的有效防范和及时处理,危险警情一旦发生,用户通过联网报警系统可以及时得到提示、反馈、定位,能迅速实现对危险警情的控制并及时采取有效的安防措施,能切实规避财产损失,有效节约人力。
如图3所示,在上述基于NB-IoT的甲烷无线监测系统的基础上,本发明还提供一种甲烷气体的监测方法,该方法可以包括以下步骤:
步骤S1,所述主控MCU控制甲烷传感器监测待测环境的甲烷浓度;
步骤S2,所述主控MCU接收甲烷传感器监测到的甲烷浓度;
步骤S3,所述主控MCU控制GPS芯片获取待测环境的位置信息;
步骤S4,所述主控MCU控制NB-IoT模块将甲烷浓度及位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;
步骤S5,所述第三方应用通过Internet网络来查看物联网云平台上数据及服务中心记录的甲烷浓度和位置信息,以监测与位置信息对应的甲烷浓度的变化。
可选的,该智能无线甲烷监测装置还可以包括声光报警模块,该声光报警模块通过串口与主控MCU进行通讯。基于对声光报警模块的配置,该方法还可以包括步骤S6:当甲烷浓度达到预设阈值时,主控MCU控制声光报警模块发出警报。例如,预设阈值可以设定为甲烷的危险阈值、或者爆炸下限值等;当然,本发明并不对该预设阈值的具体取值进行限定,用户可根据实际需求灵活设定。
进一步的,当甲烷浓度达到预设阈值时,除上述控制声光报警模块发出警报之外,还可包括步骤S6:主控MCU通过物联网云平台向所有第三方应用发送关于监测到的甲烷浓度达到预设阈值的警报信息。那么,第三方应用的用户便可在获取到该警报信息后,及时采取相应措施来防止因甲烷浓度过高而导致中毒、爆炸等危险事件的发生。
本发明提供的基于NB-IoT的甲烷无线监测系统,采用NB-IoT模块进行无线数据传输,可实现无线监测众多分散在区域内的甲烷气体情况,进一步智慧化管控。在同样的频段下,NB-IoT比现有的网络增益20dB,覆盖面积扩大100倍,具备支撑海量连接的能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接,同时NB-IoT模块的待机时间长,维护成本低,单个模块的价格也较为优廉。
上面为了说明的便利,对图示优选实施例的附图和附图中出现的构成赋予附图标记和名称进行了说明,但这作为本发明的一个实施例,不得局限于附图上出现的形状和赋予的名称来解释其权利范围,可从发明的说明中预测的多样形状的变更和发挥相同作用构成的单纯置换,也在从业者为了容易地实施而可变更的范围内,这是不言而喻的。

Claims (8)

1.一种基于NB-IoT的智能无线甲烷监测装置,其特征在于,包括:
主控MCU、NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块;所述NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块均通过串口与主控MCU进行通讯,所述主控MCU接收甲烷传感器监测待测环境得到的甲烷浓度,控制GPS芯片获取所述待测环境的位置信息,控制NB-IoT模块将所述甲烷浓度及所述位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;主控MCU在甲烷浓度达到预设阈值时控制声光报警模块发出警报。
2.一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统,其特征在于,包括:
智能无线甲烷监测装置、传输网络、物联网云平台和第三方应用,所述智能无线甲烷监测装置包括主控MCU、NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块,所述NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片及声光报警模块均通过串口与主控MCU进行通讯,所述主控MCU接收甲烷传感器监测待测环境得到的甲烷浓度,控制GPS芯片获取所述待测环境的位置信息,控制NB-IoT模块将所述甲烷浓度及所述位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;主控MCU在甲烷浓度达到预设阈值时控制声光报警模块发出警报;所述第三方应用用于查看所述物联网云平台上数据及服务中心记录的甲烷浓度和位置信息,以监测与位置信息对应的甲烷浓度的变化。
3.如权利要求2所述的一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统,其特征在于,所述传输网络由NB-IoT网络和Internet网络组成,所述NB-IoT模块通过NB-IoT网络将甲烷浓度和位置信息传输至物联网云平台,所述第三方应用通过Internet网络来查看所述物联网云平台上数据及服务中心记录的甲烷浓度和位置信息。
4.如权利要求2所述的一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统,其特征在于,所述甲烷传感器为不分光红外甲烷传感器。
5.如权利要求2所述的一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统,其特征在于,所述第三方应用为可对甲烷浓度和位置信息进行计算分析,实现预测性维护、预警服务功能的第三方管理平台和/或用户APP。
6.一种基于NB-IoT的甲烷无线监测系统的监测方法,其特征在于,所述甲烷无线监测系统包括智能无线甲烷监测装置、传输网络、物联网云平台和第三方应用,所述智能无线甲烷监测装置包括主控MCU、NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片,所述NB-IoT模块、甲烷传感器、GPS芯片均通过串口与主控MCU进行通讯;所述方法包括:
步骤S1,所述主控MCU控制甲烷传感器监测待测环境的甲烷浓度;
步骤S2,所述主控MCU接收甲烷传感器监测到的甲烷浓度;
步骤S3,所述主控MCU控制GPS芯片获取待测环境的位置信息;
步骤S4,所述主控MCU控制NB-IoT模块将甲烷浓度及位置信息通过传输网络传输至物联网云平台上的数据及服务中心;
步骤S5,所述第三方应用通过Internet网络来查看物联网云平台上数据及服务中心记录的甲烷浓度和位置信息,以监测与位置信息对应的甲烷浓度的变化。
7.如权利要求6所述的监测方法,其特征在于,
所述智能无线甲烷监测装置还包括声光报警模块,所述声光报警模块通过串口与主控MCU进行通讯;
所述方法还包括:步骤S6,当甲烷浓度达到预设阈值时,所述主控MCU控制所述声光报警模块发出警报。
8.如权利要求7所述的监测方法,其特征在于,步骤S6还包括:
所述主控MCU通过物联网云平台向所有第三方应用发送关于监测到的甲烷浓度达到预设阈值的警报信息。
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