CN112364952B - 基于NB-IoT的电气设施物联网管理方法 - Google Patents

基于NB-IoT的电气设施物联网管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于NB‑IoT、云计算和大数据技术，为实现线上任务管理和线下地勤人员服务相融合，本发明，基于NB‑IoT的电气设施物联网管理方法，流程如下：1)地勤人员通过身份验证，登陆移动端；2)地勤人员手动录入包括设备序号、卡号、地理位置的相关信息，或通过扫描二维码进行设备的批量导入；3)物联网设备通过宽窄物联网NB‑IoT通信技术将日志上传至服务器；4)管理员通过Web端查看和管理设备信息；5)管理员通过Web端向故障设备附近的地勤人员发送任务；6)地勤人员到位修复后，通过文字、视频和照片形式进行任务反馈，实现设备维护和管理。本发明主要应用于电气设施物联网管理场合。

Description

基于NB-IoT的电气设施物联网管理方法
技术领域
本发明是一个基于NB-IoT、云计算和大数据技术，应用于应急电源与智能交通领域，包含安卓移动端、Web(网页)前端和数据后端三部分的物联网设备管理平台。具体涉及基于 NB-IoT的电气设施物联网管理与数据智能平台。
背景技术
QR Code，二维码，是一个近几年来移动设备上超流行的一种编码方式。相比于传统的条形码，它比能存储更多信息，也能表示更多的数据类型。它采用某种特定的几何图形按一定规律在平面分布的黑白相间的图形记录数据符号信息。在代码编制上，利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识别以实现信息自动处理。
二维码的特点包括：可靠性强、效率高、成本低、易于制作、构造简单、纠错功能、加密机制、多语言形式和高密度。
NB-IoT，Narrow Band Internet of Things，宽窄物联网，是一种支持低功耗设备在蜂窝网络进行数据传输的技术。NB-IoT只占用约180KHz的带宽，在部署方面，它可以采用带内、保护带或独立载波三种部署方式。并且能够直接部署在GSM(全球移动通信系统)、UMTS (通用移动通信系统)或LTE(长期演进)网络上，实现现有网络的复用，降低部署成本，实现平滑升级。NB-IoT具有覆盖范围广、连接数多、功耗低、成本低和速率低等特点。
覆盖范围广：NB-IoT比GMS、LTE等网络覆盖增强了20dB，除了覆盖信号的平面距离增大外，更能够覆盖到GMS无法覆盖的深层底下。
连接数多：NB-IoT采用话务模型，并减少了空口信令交互，保证了在同一基站下比现有无线技术增多50-100倍的接入量。
功耗低：NB-IoT将PSM(低功耗模式)和eDRX(非连续接收省电模式)相结合，使终端的待机时间可达10年。
成本低：NB-IoT通信单模块成本不足5美元。
速率低：多点上行速率仅为56kbps，理论下行速率也只有21.25kbps。
发明内容
本发明旨在提出远程监控和管理物联网设备的服务平台，通过web端进行显示统计、任务发布、远程控制甚至是设备的自我修复，实现了线上任务管理和线下地勤人员服务相融合。为此，本发明采取的技术方案是，基于NB-IoT的电气设施物联网管理方法，流程如下：
1)地勤人员通过身份验证，登陆移动端；
2)地勤人员手动录入包括设备序号、卡号、地理位置的相关信息，或通过扫描二维码进行设备的批量导入；
3)物联网设备通过宽窄物联网NB-IoT通信技术将日志上传至服务器；
4)管理员通过Web端查看和管理设备信息；
5)管理员通过Web端向故障设备附近的地勤人员发送任务；
6)地勤人员到位修复后，通过文字、视频和照片形式进行任务反馈，实现设备维护和管理。
具体步骤如下：
1)布设服务器：
Nginx服务器：作为反向代理实现负载均衡，提高系统的吞吐量；
消息队列服务器：暂时存储Nginx传送过来的业务和数据，消息队列保证了数据能够完整不丢失地发送给后台处理服务器，实现流量的消锋，解决物联网架构下的高并发问题；
处理服务器：处理业务和操作数据库，订阅队列服务器，直接接收Nginx服务器传送过来的业务和数据；
数据库服务器：MySQL服务器作为主服务器，用来保存物联网设备详细状态信息；
MongoDB服务器：存储设备日志和登陆记录，每一条设备日志对应一种状态；缓存服务器用于存储临时消息，包括登陆令牌、API访问次数以及设备最新运行状态；处理服务器将消息队列中的日志信息存入MongoDB的同时，查询缓存服务器中对应设备的最新状态，如果有变化，则更新MySQL数据库中对应的状态信息；
资源存储服务器：存储移动端传送的图片和视频；
推送消息服务器：接收移动端推送的消息；
2)运用JAVA框架SpringMVC、对象关系映射框架Hibernate、软件架构RESETful实现后台开放接口，并通过应用程序编程接口文档框架Swagger将接口数据通过分层次的方式展现给不同用户；
3)管理员在Web端查看负责区域内的所有设备状态以及地勤人员信息，Web端在地图中标注设备位置，并显示设备统计信息，用户在Web端上可以实现定义设备模板、添加设备、删除设备、人员管理、任务管理和推送管理功能；
设备模板方面，厂商ID、厂商名称、设备类型、设备型号和协议类型都是必填字段，从设备模板中添加设备实现快速初始化设备信息；
人员管理方面：根据登陆人员的权限，查看并更改其权限下级的用户信息；
任务管理方面，管理员通过远程推送、联动短信等方式指定地勤人员修复故障设备，并监控任务完成情况，任务类型分为紧急、正常、超时和已完成四种状态，Web端对四种类型任务的统计数据进行展示；
4)地勤人员通过APP实现设备录入、故障报修以及任务处理及反馈，地勤人员首次登陆APP完成注册后，会得到平台分配的一个唯一的键KEY，该KEY用于限制用户的访问权限，录入设备时，地勤人员可以手动输入设备的县官信息，或使用APP扫描设备上的二维码，实现批量设备录入。反馈信息中包含的视频或图片直接发送到资源存储服务器；
5)物联网设备通过NB-IoT通信模块上传日志到电信网关，约定日志中包含“正常”、“告警”及“故障”三种设备状态。电信网关会将日志转发到Nginx服务器；
6)在所有用户登陆平台时，前端获取后端生成的令牌，并把账号、密码和令牌进行加密处理，发送给后端，后端进行解析和验证，后端会将登陆行为存储在MongoDB中，超过6次登陆错误进入锁死状态。
本发明的特点及有益效果是：
物联网数据的合理使用，将对经济发展和产品安全性产生积极影响。企业迫切的需要解决以下两个需求：
a.实现海量数据的传输及设备监管。
b.实现高性能易拓展的大数据分析平台，对设备进行故障监控，模式分析和动预警。
本发明是一个基于NB-IoT技术的综合服务平台，通过搭建设备管理、人员管理、任务管理及设备日志管理四大功能模块，解决了企业电子设备长期的数据采集及分析、设备监控及维护等类似难题。
附图说明：
图1管理员管辖区域及数据统计展示。
图2全局分布概况。
图3Web日志管理界面。
图4后台架构图
图5App处理任务及日志统计
图6系统流程图
具体实施方式
本发明所采用的技术方案是：
1)本发明后端共包含14台服务器。
2台Nginx服务器：作为反向代理实现负载均衡，提高系统的吞吐量；
2台消息队列服务器：暂时存储Nginx传送过来的业务和数据。消息队列保证了数据能够完整不丢失地发送给后台处理服务器，实现流量的消锋，解决物联网架构下的高并发问题；
4台处理服务器：处理业务和操作数据库。其中两台订阅队列服务器，另外两台直接接收Nginx服务器传送过来的业务和数据；
4台数据库服务器：MySQL服务器作为主服务器，用来保存物联网设备详细状态信息； MongoDB服务器存储设备日志和登陆记录，每一条设备日志对应一种状态(正常、告警或故障)；缓存服务器用于存储临时消息，包括登陆令牌、API访问次数以及设备最新运行状态等等；处理服务器将消息队列中的日志信息存入MongoDB的同时，查询缓存服务器中对应设备的最新状态，如果有变化，则更新MySQL数据库中对应的状态信息；
1台资源存储服务器：存储移动端传送的图片和视频；
1台推送消息服务器：接收移动端推送的消息。
2)本发明运用SpringMVC(JAVA框架)，Hibernate(对象关系映射框架)，RESETful(软件架构)等技术实现后台开放接口，并通过Swagger(应用程序编程接口文档框架)将接口数据通过分层次的方式展现给不同用户。
3)管理员可以在Web端查看负责区域内的所有设备状态以及地勤人员信息。Web端在地图中标注设备位置，并显示设备统计信息。用户在Web端上可以实现定义设备模板、添加设备、删除设备、人员管理、任务管理和推送管理等功能。
设备模板方面，厂商ID、厂商名称、设备类型、设备型号和协议类型都是必填字段。从设备模板中添加设备可以实现快速初始化设备信息。
人员管理方面：根据登陆人员的权限，可以查看并更改其权限下级的用户信息。
任务管理方面，管理员可以通过远程推送、联动短信等方式指定地勤人员修复故障设备，并可以监控任务完成情况。任务类型分为紧急、正常、超时和已完成四种状态。Web端对四种类型任务的统计数据进行展示。
4)地勤人员可以通过APP实现设备录入、故障报修以及任务处理及反馈等功能。地勤人员首次登陆APP完成注册后，会得到平台分配的一个唯一的KEY(键)。该KEY用于限制用户的访问权限。录入设备时，地勤人员可以手动输入设备的县官信息，或使用APP扫描设备上的二维码，实现批量设备录入。反馈信息中包含的视频或图片直接发送到资源存储服务器。
5)物联网设备通过NB-IoT通信模块上传日志到电信网关，约定日志中包含“正常”、“告警”及“故障”三种设备状态。电信网关会将日志转发到Nginx服务器。
6)在所有用户登陆平台时，前端获取后端生成的令牌(该令牌存储在缓存服务器中)，并把账号、密码和令牌进行加密处理，发送给后端，后端进行解析和验证。后端会将登陆行为存储在MongoDB中，超过6次登陆错误进入锁死状态。
下面结合具体实施方式对本发明技术方案详细描述。
1)地勤人员手动录入设备序号、卡号、地理位置等相关信息，或通过二维码识别技术识别出设备的相关信息。
2)物联网设备通过NB-IoT通信技术将日志上传至服务器。处理服务器将日志存储在 MongoDB中，并更新MySQL中的设备状态信息。
3)管理员通过Web端查看设备信息。在列表模式时，Web端依次显示设备的状态信息。在地图模式时，Web端获取到每一个设备的地理位置信息，转换成经纬度，利用第三方百度地图红点标注各设备，并且点击各个设备的地理红点时，可以获取该设备的状态信息。
4)管理员通过Web端向故障设备附近的地勤人员发送任务。
5)地勤人员到位修复后，通过文字、视频和照片形式进行任务反馈。
本发明的一个实例中，具体步骤如下：
具体步骤如下：
1)布设服务器：
Nginx服务器：作为反向代理实现负载均衡，提高系统的吞吐量；
消息队列服务器：暂时存储Nginx传送过来的业务和数据，消息队列保证了数据能够完整不丢失地发送给后台处理服务器，实现流量的消锋，解决物联网架构下的高并发问题；
处理服务器：处理业务和操作数据库，订阅队列服务器，直接接收Nginx服务器传送过来的业务和数据；
数据库服务器：MySQL服务器作为主服务器，用来保存物联网设备详细状态信息；MongoDB服务器存储设备日志和登陆记录，每一条设备日志对应一种状态；缓存服务器用于存储临时消息，包括登陆令牌、API访问次数以及设备最新运行状态；处理服务器将消息队列中的日志信息存入MongoDB的同时，查询缓存服务器中对应设备的最新状态，如果有变化，则更新MySQL数据库中对应的状态信息；
资源存储服务器：存储移动端传送的图片和视频；
推送消息服务器：接收移动端推送的消息；
2)本发明运用JAVA框架SpringMVC、对象关系映射框架Hibernate、软件架构RESETful 实现后台开放接口，并通过应用程序编程接口文档框架Swagger将接口数据通过分层次的方式展现给不同用户；
3)管理员可以在Web端查看负责区域内的所有设备状态以及地勤人员信息，Web端在地图中标注设备位置，并显示设备统计信息，用户在Web端上可以实现定义设备模板、添加设备、删除设备、人员管理、任务管理和推送管理功能；
设备模板方面，厂商ID、厂商名称、设备类型、设备型号和协议类型都是必填字段，从设备模板中添加设备可以实现快速初始化设备信息；
人员管理方面：根据登陆人员的权限，可以查看并更改其权限下级的用户信息；
任务管理方面，管理员可以通过远程推送、联动短信等方式指定地勤人员修复故障设备，并可以监控任务完成情况，任务类型分为紧急、正常、超时和已完成四种状态，Web端对四种类型任务的统计数据进行展示；
4)地勤人员可以通过APP实现设备录入、故障报修以及任务处理及反馈，地勤人员首次登陆APP完成注册后，会得到平台分配的一个唯一的键KEY，该KEY用于限制用户的访问权限，录入设备时，地勤人员可以手动输入设备的县官信息，或使用APP扫描设备上的二维码，实现批量设备录入。反馈信息中包含的视频或图片直接发送到资源存储服务器；
5)物联网设备通过NB-IoT通信模块上传日志到电信网关，约定日志中包含“正常”、“告警”及“故障”三种设备状态。电信网关会将日志转发到Nginx服务器；
6)在所有用户登陆平台时，前端获取后端生成的令牌，并把账号、密码和令牌进行加密处理，发送给后端，后端进行解析和验证，后端会将登陆行为存储在MongoDB中，超过6次登陆错误进入锁死状态。

Claims (1)

1.一种基于NB-IoT的电气设施物联网管理方法，其特征是，流程如下：
1）地勤人员通过身份验证，登陆移动端；
2）地勤人员手动录入包括设备序号、卡号、地理位置的相关信息，或通过扫描二维码进行设备的批量导入；
3）物联网设备通过NB-IoT通信技术将日志上传至服务器；
4）管理员通过Web端查看和管理设备信息；
5）管理员通过Web端向故障设备附近的地勤人员发送任务；
6）地勤人员到位修复后，通过文字、视频和照片形式进行任务反馈，实现设备维护和管理；
具体步骤如下：
1）布设服务器：
Nginx服务器：作为反向代理实现负载均衡，提高系统的吞吐量；
消息队列服务器：暂时存储Nginx传送过来的业务和数据，消息队列保证了数据能够完整不丢失地发送给后台处理服务器，实现流量的消锋，解决物联网架构下的高并发问题；
处理服务器：处理业务和操作数据库，订阅队列服务器，直接接收Nginx服务器传送过来的业务和数据；
数据库服务器：MySQL服务器作为主服务器，用来保存物联网设备详细状态信息；
MongoDB服务器：存储设备日志和登陆记录，每一条设备日志对应一种状态；缓存服务器用于存储临时消息，包括登陆令牌、API访问次数以及设备最新运行状态；处理服务器将消息队列中的日志信息存入MongoDB的同时，查询缓存服务器中对应设备的最新状态，如果有变化，则更新MySQL数据库中对应的状态信息；
资源存储服务器：存储移动端传送的图片和视频；
推送消息服务器：接收移动端推送的消息；
2）运用JAVA框架SpringMVC、对象关系映射框架Hibernate、软件架构RESETful实现后台开放接口，并通过应用程序编程接口文档框架Swagger将接口数据通过分层次的方式展现给不同用户；
3）管理员在Web端查看负责区域内的所有设备状态以及地勤人员信息，Web端在地图中标注设备位置，并显示设备统计信息，用户在Web端上可以实现定义设备模板、添加设备、删除设备、人员管理、任务管理和推送管理功能；
设备模板方面，厂商ID、厂商名称、设备类型、设备型号和协议类型都是必填字段，从设备模板中添加设备可以实现快速初始化设备信息；
人员管理方面：根据登陆人员的权限，可以查看并更改其权限下级的用户信息；
任务管理方面， 管理员通过远程推送、联动短信方式指定地勤人员修复故障设备，并监控任务完成情况，任务类型分为紧急、正常、超时和已完成四种状态，Web端对四种类型任务的统计数据进行展示；
4）地勤人员通过APP实现设备录入、故障报修以及任务处理及反馈，地勤人员首次登陆APP完成注册后，会得到平台分配的一个唯一的键KEY，该KEY用于限制用户的访问权限，录入设备时，地勤人员可以手动输入设备的相关信息，或使用APP扫描设备上的二维码，实现批量设备录入，反馈信息中包含的视频或图片直接发送到资源存储服务器；
5）物联网设备通过NB-IoT通信模块上传日志到电信网关，约定日志中包含“正常”、“告警”及“故障”三种设备状态，电信网关会将日志转发到Nginx服务器；
6）在所有用户登陆平台时，前端获取后端生成的令牌，并把账号、密码和令牌进行加密处理，发送给后端，后端进行解析和验证，后端会将登陆行为存储在MongoDB中，超过6次登陆错误进入锁死状态。
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