2021.12科学技术创新基于物联网技术的智能安全监测系统研究 孟庆志刘庚
电化学传感器
（济南祥控自动化设备有限公司，
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
摘要：安全监测系统多用于易产生有毒有害气体或通风不畅的工业现场，以保障施工作业人员的安全。文中基于物联网技
术，研究设计了一种智能安全监测系统。系统由传感器组、LoRa 数据采集终端、现场监控主机和云平台服务器组成。LoRa 数据采集终端将采集的传感器数据上传至现场监控主机，主机实时显示环境数据，并根据控制逻辑报警联动。主机通过NB-IoT 模组将
按照CoAP 格式封装的数据打包上传至云平台服务器。现场管理人员可通过电脑客户端或手机APP 连接至云平台服务器，
实时监测作业现场安全状况。该系统可灵活方便布置、实时可靠采集与传输现场环境数据并报警联动，
融合调度指挥通信系统
具有很好的实用价值。关键词：安全监测；物联网；LoRa 技术；通信机制；NB-IoT ；CoAP ；云平台
中图分类号:TP39文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)12-0103-03图1系统架构图
激光发射器
传感器组 n
Lo Ra 采集终端 n LoRa 采集终端 1传感器组 1以太网NB-IoT 网络
CoAP 数据包防火墙
云平台服务器
NB-IoT 数据电脑浏览器手机APP
……
103--
科学技术创新2021.12
务器，实时获取现场环境数据及预警信息。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-138.5dBm ，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，
气动真空阀
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图2LoRa 模块接口电路图
声光报警器接口I /O NB-IoT 模组接口
控制板LoRa
盲点侦测系统通信模块
UART 功能按钮接口
I/O 电源管理单元触摸屏显示器R S232红外人体感应模块I/O UART
图3现场监控主机硬件结构图
图4指令CoAP 功能示意图
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2021.12科学技术创新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 。
4结论
本文结合施工作业现场安全监测需求，运用物联网技术研
究设计了一种智能安全监测系统，
该系统实现了灵活自由布置传感器及数据采集终端位置、可靠无线传输数据、
实时监测报警及联动等安全监测功能，具有很好的实用价值。
参考文献
[1]郝德栋.隧道施工智能监测系统开发[D].石家庄：石家庄铁道大学,2020.
[2]苏志华.变配电室运行环境控制和在线监测系统的研发与应用[D].北京：华北电力大学,2015.
[3]郑功倍.基于移动传感网络的电缆管廊环境监测系统设计与实现[D].南京：东南大学,2019.
[4]宋庆武，蒋峰等.基于物联网技术的电力系统地下沟管环境监测系统应用研究[J].电子设计工程,2021,29(02):94-98.
[5]潘燕.基于物联网的环境监控系统研究[J].物联网技术,2021,11(02):9-11.
[6]孙锦全，石峰.基于NB-IoT/LoRa 的工业环境安全监测系统设
计[J].传感器世界,2018,24(11):19-23.
[7]刘东山.NB-IoT 物联网的CoAP 协议及实际部署应用[J].信息通信,2021(07):236-237.
[8]王剑秋，赵一.物联网传输协议MQTT 与CoAP 比较与应用[J].计算机时代,2017(10):25-28+31.
[9]邹慧丽.基于CoAP 的物联网服务平台设计与实现[D].北京：
中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所),2018.
作者简介：孟庆志（1985-），男，籍贯：山东济南，
硕士，工程师，研究领域为工业物联网技术、嵌入式系统开发。
一种混合动力无人机实验平台设计
王鹤肖岩唐鑫祥薛慧芳（北方民族大学，宁夏银川750000）
目前市面上无人机主要分为电动型无人机和油动型无人机，伴随着科技进步和国家大力鼓励创新的背景下，混合动力型无人机变成了研究热门。混合动力无人机结合了电动型无人机的精准控制、转速高、能源清洁等优点以及油动无人机负载大、滞空时间长等优点，是一种新型实用的机型。
尽管多旋翼无人机的技术在一定程上已趋于成熟，但在实际运用过程中还是会暴露出一些问题。多旋翼无人机是通过螺
旋桨旋转动产生的升力来承担负载重量的，
这种飞行方式的效率是低于固定翼飞机的翼载方式。在携带同等重量的负载时，多旋翼无人机的耗能要高于固定翼无人机和无人直升机。目前锂电池是市面上绝大部分消费级和工业级多旋翼无人机的动力能源，难以实现长滞空大负载的应用需求。
基于此，本文设计一种油电混合动力无人机的实验平台，用于研究电动和油动相结合的一种无人机飞行控制方案，
改善当前各类型无人机的性能。
1系统设计比较
油电混合动力无人机主要分为三种：串联式油电混合动力系统、并联式油电混合动力系统、混联式油电混合动力系统。
串联式油电混合动力系统：螺旋桨与电动机单独连接给无
人机提供主要的升力，进而驱动飞机平稳飞行，
同时还能驱动发电机给电池供电机械和电气系统之间的能量转换造成大量的能量损失。
并联式油电混合动力系统：该系统具有较高的能量转换效率。但因为飞机螺旋桨驱动轴与发动机传动机构直接耦合在了一起，所以这种设计可能会使得发动机不能在最佳工况点附近工作，能量效率会有所限制。
联式油电混合动力系统：将串联式与并联式一定程度的结合在一起就形成了混联式。发动机所产生的机械能被分成两部分，一部分传递给电机，另一部分传给发电机之后转化为电能存
储到电池中。但是增加了机械结构的复杂度，
单面铜基板
从而使摘要：本文设计了一种并联式油电混合动力系统为基础的解耦并列式油电混合模式的无人机实验平台。
该实验平台利用燃油发动机作为无人机主旋翼，利用六轴无人机其中两轴作为平衡主旋翼的平衡旋翼，
利用其余四只旋翼进行姿态稳定，通过二次发开PX4开源飞控源码，使其能够为混合动力无人机相关实验开展提供平台。通过油电混合的方式延长了无人机的电池使用时
间，增加无人机的负载重量和滞空时间，
达到了预期目的。关键词：多旋翼；混合动力；
发动机；飞控中图分类号:V211文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)12-0105-03（转下页）105--
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