摘要針對傳統(tǒng)低功耗單片機對泵房溫度、電線和電機設(shè)備過載運行前兆無法及時監(jiān)測并調(diào)控的問題，本文基于蜂窩網(wǎng)絡NB-IOT技術(shù)，構(gòu)建出能夠?qū)Ρ梅凯h(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀況實現(xiàn)中央集中監(jiān)控的遠傳系統(tǒng)。泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)包括MCU單元、溫度檢測單元、觸發(fā)單元、通信單元、現(xiàn)場監(jiān)控單元等，當溫度檢測單元中溫度傳感器檢測出的泵房溫度有兩組超過報警值時，觸發(fā)MCU單元，控制現(xiàn)場監(jiān)控單元打開CCD攝像機進行錄像，并通過通信單元中NB-IoT模塊或通信接口實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息和圖像信息的實時遠程傳輸及處理。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對泵房的中央集中監(jiān)控，及時處理泵房設(shè)備的故障，“主動”降低泵站的設(shè)備故障率，有效降低管理運營成本，并極大降低運行功耗。第1章緒論本文介紹了基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)的運行模式，并采用MCU單元實現(xiàn)系統(tǒng)的集中監(jiān)控功能，系統(tǒng)的主要功能特點如下：1.在監(jiān)測泵站水池水位或進站壓力、加壓泵組工作狀態(tài)、出站流量、出站壓力等的同時，能主動對泵房內(nèi)溫度、電線和電機設(shè)備過載運行進行及時監(jiān)控，降低泵站的設(shè)備故障率。2.實現(xiàn)對泵房的中央集中監(jiān)控，縮短泵房的維護管理響應時間，實時、精確、全面系統(tǒng)地掌握泵房的運行情況。3.實現(xiàn)對泵房的運行參數(shù)的實時傳輸。4.實現(xiàn)對泵房風險和設(shè)備故障的自動報警，并聯(lián)動消防模塊主動排除風險，提高泵房安全。5.能緩解泵房供電的線路的主動供電壓力，節(jié)約電能，降低運行功耗。1.1研究背景及目的伴隨著城市化進程的逐步推進，高層建筑數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，是象征一個地區(qū)城市化水平的重要標志。自來水廠通常建在較為偏遠的郊區(qū)，遠離城市居民生活區(qū)和辦公區(qū)，因為現(xiàn)代化小區(qū)和辦公樓都是高層建筑，樓層數(shù)量多，豎直高度大，所以在居民生活區(qū)和辦公區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)水壓不足的問題。為了克服自來水欠壓的問題，保證正常供水、滿足用戶用水需求，自來水公司通常利用二次增壓泵房對居民生活區(qū)和辦公區(qū)的自來水進行二次加壓。自來水廠工作人員主要通過對泵房中加壓泵組工作狀態(tài)、進水壓力、出水壓力等指標進行檢測，進而判斷泵的工作運行狀況，方便及時排查并修復泵房中故障設(shè)備，確保泵站能正常供水。但隨著居民生活區(qū)和辦公區(qū)的不斷延伸，高層小區(qū)和高層辦公樓數(shù)量的持續(xù)增多，同時向外城區(qū)呈現(xiàn)持續(xù)擴張的趨勢，導致自來水廠巡查工作人員任務持續(xù)性加重，巡查時間不斷延長，此外，巡查工作人員的專業(yè)性難以確定。由于自來水廠巡查工作人員數(shù)量較少、專業(yè)性無法判斷、巡查效率降低，導致對泵房故障的巡查業(yè)務無法正常實施，泵房管理水平普遍較低。另一方面，由于泵房是安裝水泵、動力機及其輔助配電設(shè)備的廠房，是泵站供水系統(tǒng)的骨架結(jié)構(gòu)，包括分基型、干室型、濕室型和塊基型等結(jié)構(gòu)形式，但無論哪種結(jié)構(gòu)形式，在泵房中都需要設(shè)有電動機和配電設(shè)備，在工作時，能耗高，耗電量大?；谝陨显颍绾伍_發(fā)一套智能化、低功耗的泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)是亟待解決的問題，是實現(xiàn)泵房遠程監(jiān)測和管理的重要手段，能極大地提高工作效率，提高自來水企業(yè)對加壓泵站管理水平，能保證泵站正常供水，滿足用戶正常用水需求，能有效減輕二次供水泵房的人工值守的壓力、提升二次供水保障的自動化程度。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著國內(nèi)信息科技的進步和提高，自動化的、可以遠程監(jiān)控的供水系統(tǒng)的應用還是出現(xiàn)，并逐步提到了原有的需要人工值守的二次供水泵房系統(tǒng)。目前，智能化泵房遠傳監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)已經(jīng)得到應用，使國內(nèi)居民用水的質(zhì)量將得到進一步的保障。在泵房遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究中，國外的城市供水系統(tǒng)中，對加壓泵房的監(jiān)控及管理，管理人員在進行遠程控制時，主要是通過VPN網(wǎng)絡實現(xiàn)調(diào)度中心與供水泵房之間的網(wǎng)絡連接。國外對供水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究眾多，在美國的一些大城市中，如紐約、洛杉磯等已經(jīng)開始應用計算機和網(wǎng)絡技術(shù)對泵房供水進行實時監(jiān)控，在法國，新建的大型社區(qū)的二次供水泵房系統(tǒng)也基本完成信息化建設(shè)及管理。目前，國內(nèi)泵房遠傳監(jiān)控系統(tǒng)間的網(wǎng)絡架構(gòu)主要依賴于區(qū)域無線連接,但是傳統(tǒng)Wifi無線連接方式存在覆蓋區(qū)域小、對終端設(shè)備要求高等問題，而移動蜂窩網(wǎng)絡NB-IOT技術(shù)能彌補傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)的缺陷，所以在國外新建的大型社區(qū)或項目場所基本采用NB-IOT技術(shù)進行網(wǎng)絡架構(gòu)，采用NB-IOT技術(shù)構(gòu)建泵房遠傳監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)泵房數(shù)據(jù)信息實時、準確的傳輸。NB-IOT是一種能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗設(shè)備在外網(wǎng)(WAN)的蜂窩數(shù)據(jù)連接的無線網(wǎng)絡，由于其功耗小，成本低，覆蓋范圍廣，支持低延時、低敏感度設(shè)備高效連接，存儲容量大等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)科技領(lǐng)域研究的熱點。2016年，3GPP聯(lián)盟第一次提出窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）技術(shù)的概念，并于2016年6月發(fā)布了窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）的第一個版本。NB-IOT是一種新興無線接入技術(shù)，與其他現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡（如GSM、UMTS和LTE）共同存在，是一種利用無線蜂窩網(wǎng)絡提供廣泛新功能和提供更全面服務的有效手段。3GPP聯(lián)盟主要是將NB物聯(lián)網(wǎng)與當前LTE網(wǎng)絡進行集成，并規(guī)定了NB-IOT技術(shù)的操作模式，為了使NB-IOT達到所需信號傳輸速率，將其無線信道的寬度減小到了180kHz，從而使信號增益20dB，進而使窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）技術(shù)具有支持低功率設(shè)備遠距離傳輸?shù)墓δ埽⒔档徒K端設(shè)備功耗，使設(shè)備電池壽命可延長至10年時間甚至更長時間。1.3NB-IOT技術(shù)簡介1.3.1NB-IOT技術(shù)的定義NB-IOT，中文名為窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡關(guān)鍵組成部分之一，成為IOT領(lǐng)域里的一種高新前沿技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗設(shè)備在外網(wǎng)(WAN)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，又稱低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。NB-IOT是一種新型的無線網(wǎng)絡，是實現(xiàn)遠傳輸距離、對需要長期運行、休眠或?qū)B接環(huán)境要求較高的電子產(chǎn)品高效率連接的重要途徑。1.3.2NB-IOT技術(shù)的優(yōu)勢隨著網(wǎng)絡科技日新月異的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)也呈現(xiàn)出根本性的變化趨勢，需要用更先進的移動終端設(shè)備對其基礎(chǔ)功能進行延伸和加強，現(xiàn)有蜂窩通信技術(shù)一般無法提供足夠廣闊的覆蓋范圍，而現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備通常又存在價格昂貴、電池壽命短的缺點。為了解決上述問題，2016年，3GPP聯(lián)盟第一次提出NB-IOT技術(shù)的概念，并于2016年6月發(fā)布了NB-IOT的第一個版本。相比于傳統(tǒng)Bluetooth、CDMA2000、GSM、Infrared(IR)、ISM、RFID、UMTS/3GPPw/HSDPA、UWB、WiMAXWi-Fi和ZigBee等通信技術(shù)，移動蜂窩網(wǎng)絡NB-IOT技術(shù)具有更突出和更明顯的優(yōu)勢：（1）覆蓋區(qū)域更廣闊，能提供更先進的室內(nèi)覆蓋，頻段相同的情況下，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，NB-IoT的信號增益20dB，等同于覆蓋范圍的能力被提高了2000倍；（2）能夠支持電子設(shè)備的高效連接，NB-IoT中的一個扇區(qū)具有支持1×105個連接的接口數(shù)，NB-IoT是LTE的升級版技術(shù)，其（4.5G）峰值速度可達到1Gbps，也證明了NB-IOT具有成千上萬的了連接數(shù)，能夠支撐宏觀到微觀(M2M)模型連接、CPS連接，超低延時、超低敏感度、超低設(shè)備成本、低設(shè)備功耗以及進化升級后的網(wǎng)絡架構(gòu)；（3）具有更低功耗的優(yōu)點，NB-IoT終端電子設(shè)備可保持10年的休眠時間；（4）具有更低單元成本，企業(yè)預期的每一個接連單元低于35元（人民幣）；（5）能建立物與物連接的網(wǎng)絡架構(gòu)，彌補傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡在萬物互聯(lián)方面的不足之處；（6）能建立大規(guī)模數(shù)據(jù)信息服務網(wǎng)絡平臺，空間容量更大。1.3.3NB-IOT技術(shù)的應用由于NB-IOT具備功耗小、傳感器價格廉價（成本低）、無線傳輸距離遠（覆蓋范圍廣）、支持低延時、低敏感度設(shè)備高效連接、存儲容量大等優(yōu)點，在多種垂直領(lǐng)域得到廣泛的應用，如智能電表、工業(yè)生產(chǎn)、物流追蹤、智慧農(nóng)業(yè)、遠程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車等。下面以智能電表、工業(yè)生產(chǎn)及加工、物流追蹤、智慧農(nóng)業(yè)為例進行具體分析：（1）NB-IOT技術(shù)在智能電表中的應用電表雖然可以通過外接外源直接供電，不需要像其他需要電池供電的設(shè)備在電池使用壽命上和功耗上具有較高要求，但是仍需要對電表運作狀態(tài)及電表的數(shù)據(jù)變化進行實時監(jiān)測，便于及時排查設(shè)備故障并進行維護，相比于其他通訊技術(shù)，蜂窩網(wǎng)絡NB-IOT技術(shù)更適合電表此類低延時、高傳輸速率、大連接量的應用場景，能夠?qū)υO(shè)備的運行情況和數(shù)據(jù)信息進行實時監(jiān)控，并進行修護，極大地降低了設(shè)備的故障率。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1-1所示：圖1-1NB-IOT在智能電表中的應用框架圖（2）NB-IOT技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)及加工中的應用在工業(yè)生產(chǎn)及加工的過程中，需要專門的工人對機械設(shè)備的運作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，以此來確保工廠正常的生產(chǎn)效率，與此同時，嚴格控制工作量的輸入輸出情況，在此類應用場合，需要及時、高頻率的進行信息交換，還要確保良好的通信環(huán)境，確保信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，此類工作場景就適合采用蜂窩網(wǎng)絡NB-IOT技術(shù)建設(shè)智能工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)C械設(shè)備進行實時追蹤，并對機械設(shè)備的運行情況進行實時監(jiān)控，同時降低工業(yè)成本，延長工廠機器電池的使用壽命。（3）NB-IOT技術(shù)在物流追蹤中的應用在物流追蹤過程中，需要使用具有電池性能穩(wěn)定、電池使用壽命較長的機器設(shè)備進行定位跟蹤，必須要根據(jù)精確的GPS定位對運輸交通工具和物流倉庫場所進行布網(wǎng)，此類工作場景就適合采用蜂窩網(wǎng)絡NB-IOT技術(shù)建設(shè)物流追蹤監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)\輸交通工具進行實時追蹤，并能夠降低設(shè)備使用功耗，延長電池使用壽命。（4）NB-IOT技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)的應用現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)一般通過與低功耗、低成本的傳感器進行結(jié)合，將大棚溫度、二氧化碳濃度、濕度、土壤鹽堿度、土壤微生物環(huán)境、重金屬離子含量、氮素含量、鉀含量、磷含量、硫含量等指標數(shù)據(jù)進行傳輸，由于農(nóng)業(yè)用地普遍占地區(qū)域較大，相比于其他通信技術(shù)，NB-IOT更適合此類覆蓋范圍大的應用場景。1.4遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)簡介1.4.1遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的定義遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)是一種結(jié)合遠程傳輸程序和遠程視頻監(jiān)控程序的新型監(jiān)控系統(tǒng)，其用于遠程監(jiān)控的服務器程序至少包括無線通信設(shè)備、處理器和存儲設(shè)備,無線通信接口至少包括一個接收接口K，通過無線通信接口重新傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的通信連接方式包括寬帶接入、ISDN窄帶接入或電話線接入，采用電話線的傳輸音頻圖像的速率為15fps。（1）遠程傳輸?shù)亩x遠程傳輸程序是通過有線網(wǎng)絡連接或者無線網(wǎng)絡連接的通訊方式將終端設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)信息或各種參數(shù)信息進行遠程傳輸，先將系統(tǒng)獲取的模擬濕度、質(zhì)量、溫度、壓力、路程等遠程信號量值進行數(shù)字化，再利用遠程計算機、遠程手機等電子設(shè)備進行解壓處理，顯示出數(shù)據(jù)信息，同時能排查出系統(tǒng)設(shè)備的故障。（2）遠程視頻監(jiān)控的定義及運行原理遠程視頻監(jiān)控程序是實現(xiàn)遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)功能的一個核心模塊區(qū)域，利用計算機系統(tǒng)及網(wǎng)絡設(shè)備實現(xiàn)遠程監(jiān)控，其基礎(chǔ)構(gòu)架包括遠程終端設(shè)備、通訊設(shè)施、監(jiān)控設(shè)備、顯示器等。遠程視頻監(jiān)控的運行原理如下所示：先通過系統(tǒng)中各錄影機或攝像機采集的視頻數(shù)據(jù)信息傳輸至信息采集終端，再利用壓縮算法將視頻數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變成25幀/秒的信息采集終端，再通過有線網(wǎng)絡或者無線網(wǎng)絡傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)控中心單元，通?，F(xiàn)場監(jiān)控中心的處理器對從前端傳輸過來的音頻信息數(shù)據(jù)進行解壓，最后，通過顯示屏顯示各參數(shù)狀態(tài)，并利用存儲裝置對各參數(shù)信息進行儲存和記錄，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。當所監(jiān)控的場景發(fā)生故障或出現(xiàn)風險時，會啟動系統(tǒng)中的報警裝置，并將報警信號傳輸?shù)叫畔⒉杉K端，與信息采集終端一起運輸至現(xiàn)場監(jiān)控中心單元，并通過聲卡發(fā)出聲音警報，再聯(lián)動消防單元進行自主排除環(huán)境障礙和風險。1.4.2遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的特點（1）遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)具有優(yōu)良的通訊性能遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡連接或者無線網(wǎng)絡連接兩種通訊方式將終端設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)信息或各種參數(shù)信息進行遠程傳輸，有線通信是以銅、鋁等導體、電纜、波導、碳納米管、納米砷化鎵等納米材料或者光導纖維作為信息傳送的有形實物載體進行傳輸?shù)?，有線網(wǎng)絡連接方式存在網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)建復雜，創(chuàng)建成本高及后期維護困難的缺點，已逐漸被無線網(wǎng)絡連接方式所取代；無線通信是在多個節(jié)點間利用電磁波直接進行遠程傳輸，而不需要經(jīng)過外界媒質(zhì)載體的信息傳輸方式，包括NB-IOT、GPRS、W-CDMA、GSM、Bluetooth、WiMAXWi-Fi等網(wǎng)絡通信，由于NB-IOT的網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域、通信速度、以及連接數(shù)、空間容量明顯優(yōu)于其他網(wǎng)絡連接方式，已逐步成為遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的重要通信方式之一，使遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)具備優(yōu)良的通訊性能。（2）遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)具有極高的兼容性遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)幾乎能夠支持所有通信協(xié)議，遠程終端設(shè)備可采用開放式系統(tǒng)互連協(xié)議，通過DTE、DCE間的互聯(lián)裝置實現(xiàn)所有物和物、物與人之間的通信連接，方便對系統(tǒng)遠程連接的監(jiān)控計算機的工作狀態(tài)進行調(diào)控，并支持對網(wǎng)絡連接環(huán)境要求較高的設(shè)備之間的連接，具有極高的兼容性。（3）遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的響應速度遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)不僅能通過CPU輪詢機制進行現(xiàn)場監(jiān)控，還能通過遠程終端設(shè)備與NB-IOT、GPRS、W-CDMA技術(shù)組建網(wǎng)絡系統(tǒng)，對所應用場合的參數(shù)狀態(tài)進行收集、存儲及傳送，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息和音頻信息的實時在線傳送，有效減少系統(tǒng)的維護時間，具有較高的響應速度，明顯提高企業(yè)的運作效率以及管理水平。（4）遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建成本低廉，易于維護管理遠程傳輸監(jiān)控系統(tǒng)可通過NB-IOT、GPRS、W-CDMA等通信連接方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，相比于現(xiàn)有的光纖通信或金屬導體通信等，無線通信網(wǎng)絡區(qū)域構(gòu)建更加容易，不受環(huán)境、地勢、天氣等因素影響，構(gòu)建成本更加低廉，更易于后期的維護管理。1.5本文主要研究內(nèi)容本文的研究工作主要是基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與功能的實現(xiàn)（前期理論研究、創(chuàng)建目標和需求分析、架構(gòu)設(shè)計、功能設(shè)計、采取的關(guān)鍵技術(shù)），包括以下幾個要點：（1）對已有的基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)構(gòu)架理論進行研究，并分析現(xiàn)存問題；（2）對本文基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)的創(chuàng)建目標和功能需求進行分析；（3）進行基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計；（4）進行基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)的功能設(shè)計。第2章系統(tǒng)設(shè)計2.1前期理論研究將NB-IOT技術(shù)應用于泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)的構(gòu)建，可明顯降低泵房的整體運行功耗，同時，實現(xiàn)對泵站的遠程監(jiān)控，有效降低管理運營成本，提高企業(yè)對加壓泵站管理水平，更好地保證供水，滿足用水需求。目前，利用蜂窩網(wǎng)絡NB-IOT技術(shù)，設(shè)計出的低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)一般以低功耗單片機為中心處理器，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2-1所示：圖2-1傳統(tǒng)基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2-1所示的傳統(tǒng)泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)可以實現(xiàn)對泵房的中央集中監(jiān)控，縮短泵房的維護管理響應時間，降低泵站的設(shè)備故障率，有效降低管理運營成本，提高企業(yè)對加壓泵站管理水平，更好地保證供水，滿足用水需求[14]，但是該系統(tǒng)所采用的核心處理器是低功耗單片機，其對泵房的監(jiān)控主要集中在對泵站水池水位或進站壓力、加壓泵組工作狀態(tài)、出站流量、出站壓力等的監(jiān)測，而忽略了對泵房溫度、電線和電機設(shè)備過載運行前兆的及時監(jiān)控和處理。2.2基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)創(chuàng)建目標本文基于蜂窩網(wǎng)絡NB-IOT技術(shù)創(chuàng)建出的低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)需要具備以下五點目標性能：（1）在監(jiān)測泵站水池水位或進站壓力、加壓泵組工作狀態(tài)、出站流量、出站壓力等的同時，能主動對泵房內(nèi)溫度、電線和電機設(shè)備過載運行進行及時監(jiān)控，降低泵站的設(shè)備故障率；（2）實現(xiàn)對泵房的中央集中監(jiān)控，縮短泵房的維護管理響應時間，實時、精確、全面系統(tǒng)地掌握泵房的運行情況；（3）實現(xiàn)對泵房的運行參數(shù)的實時傳輸；（4）實現(xiàn)對泵房風險和設(shè)備故障的自動報警，并聯(lián)動消防模塊主動排除風險，提高泵房安全；（5）能緩解泵房供電的線路的主動供電壓力，節(jié)約電能，降低運行功耗。2.3基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計從圖2-2基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)架構(gòu)圖可以看出本監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下模塊單元組成：圖2-2基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)架構(gòu)圖（1）MCU單元MCU單元是實現(xiàn)對泵房中央集中監(jiān)控核心模塊，用于接收和處理溫度檢測單元、現(xiàn)場檢測單元的實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度檢測單元或現(xiàn)場檢測單元控制現(xiàn)場監(jiān)控單元的啟與閉。（2）通信單元通信單元至少包括NB-IoT模塊和通信接口：通信接口分別與MCU單元、上位機連接，實現(xiàn)對泵房運行數(shù)據(jù)信息和圖像信息的實時遠程傳輸及處理；該通信單元采用NB-IoT模塊和通信接口兩種通訊方式，具有有線、無線兩種方式通信進行，可以提高通信效率與進一步提高精度。采用有線或無線兩種模式通訊，可以使本系統(tǒng)根據(jù)自身情況進行靈活選定，擴展了本系統(tǒng)的兼容性。（3）溫度檢測單元溫度檢測單元至少設(shè)置一組，每組包括三組溫度傳感器，分別設(shè)置在泵房內(nèi)的屋頂、墻壁中間位置以及屋內(nèi)地板，三組溫度傳感器通過觸發(fā)單元與MCU單元連接。（4）現(xiàn)場檢測單元現(xiàn)場檢測單元至少設(shè)置一組，包括煙氣傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳎簾煔鈧鞲衅鳌⒒鹧鎮(zhèn)鞲衅骶cMCU單元連接，具體設(shè)置在泵房電動機和配電設(shè)備、電線密集處。（5）現(xiàn)場監(jiān)控單元現(xiàn)場監(jiān)控單元包括CCD攝像機以及存儲單元：CCD攝像機分別與MCU單元、存儲單元連接。（6）自然電源自然電源包括光伏發(fā)電模塊、蓄電池以及電子開關(guān)Ⅰ：光伏發(fā)電模塊安裝在泵房外的房頂，蓄電池分別與光伏發(fā)電模塊、電子開關(guān)Ⅰ連接，電子開關(guān)Ⅰ連接到MCU單元。（7）過載檢測單元過載檢測單元連接到MCU單元，過載檢測單元用于檢測負載電流是否過載，如產(chǎn)生過載則控制配電設(shè)備切斷電源，防止發(fā)生火災。（8）觸發(fā)單元觸發(fā)單元為連接三組溫度傳感器與MCU單元的中間模塊，采用三取二聯(lián)鎖觸發(fā)器，采用三取二聯(lián)鎖觸發(fā)器可以實現(xiàn)溫度檢測更加精確，進而提高了系統(tǒng)可靠性。當溫度檢測單元中溫度傳感器檢測出的泵房溫度有兩組超過報警值時，即可觸發(fā)MCU單元，控制現(xiàn)場監(jiān)控單元打開CCD攝像機進行錄像，并通過通信單元中NB-IoT模塊或通信接口實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息和圖像信息的實時遠程傳輸及處理。（9）消防模塊消防模塊連接到MCU單元，消防模塊實現(xiàn)泵房的自主消防工作，當泵房內(nèi)出現(xiàn)初期火焰時，則通過MCU單元控制消防模塊聯(lián)動進行滅火。（10）數(shù)據(jù)服務器數(shù)據(jù)服務器連接到MCU單元，在系統(tǒng)運作前，提前錄入相關(guān)參數(shù)，以便MCU單元進行工作，同時在工作過程中，MCU單元可以錄入實時數(shù)據(jù)，二者進行數(shù)據(jù)交換，以提高檢測可靠性。（11）顯示屏顯示屏連接到MCU單元，用于顯示監(jiān)控過程中實時參數(shù)狀態(tài)以及變化情況。（12）電子開關(guān)Ⅱ電子開關(guān)Ⅱ是連接MCU單元與外接電源的中間組件。2.4基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)的功能設(shè)計2.4.1系統(tǒng)整體功能的設(shè)計圖2-3為本系統(tǒng)在泵房場景中運行時對應的實體圖，從圖2-3可以看出：圖2-3基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)運行時對應的實體圖本系統(tǒng)監(jiān)控遠傳在泵房正常運行時，CCD攝像機處于待機不錄像，通過三組溫度傳感器檢測泵房內(nèi)溫度，其中兩組超過報警值，則通過三取二聯(lián)鎖觸發(fā)器給與MCU單元觸發(fā)信號，使MCU單元控制CCD攝像機打開進行錄像，而當煙氣傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳈z測電動機和配電設(shè)備、電線進行檢測有電流過載產(chǎn)生煙氣或火焰時，MCU單元將錄像信息梳理后上傳上位機，上位機收到MCU單元回傳的圖像信息則對該情況進行處理，如對線路排查、更換老化電線等。2.4.2系統(tǒng)中各模塊單元功能的設(shè)計（1）溫度檢測單元功能的設(shè)計從圖2-3可以看出：本系統(tǒng)溫度檢測單元至少包括三組溫度傳感器，分別設(shè)置在泵房內(nèi)的屋頂、墻壁中間位置以及屋內(nèi)地板，這樣通過溫度傳感器可以對泵房內(nèi)不同處的溫度進行檢測，處于屋頂?shù)臏囟葌鞲衅骺梢灾苯訖z測屋頂處的環(huán)境溫度，墻壁中間位置的溫度傳感器可以直接反應電動機和配電設(shè)備運行產(chǎn)生的溫度，而底面處的溫度傳感器則可以了解電動機和配電設(shè)備是否在泵房內(nèi)、外空氣循環(huán)較好的環(huán)境下工作。三組溫度傳感器中處于最上方的溫度傳感器報警值設(shè)置為M，中間的警值設(shè)置為N，最下方的警值設(shè)置為Q，當三組溫度傳感器檢測泵房內(nèi)溫度，其中兩組超過報警值，則通過三取二聯(lián)鎖觸發(fā)器給與MCU單元觸發(fā)信號，使MCU單元控制CCD攝像機打開進行錄像，（CCD攝像機初始狀態(tài)為三取二聯(lián)鎖觸發(fā)器未工作，呈待機狀態(tài)不錄像，降低功耗），并對錄像進行處理，通過NB-IoT模塊或通信接口以無線通信或有線通信的方式傳送到上位機，上位機是泵站管理人員在監(jiān)控中心所用于監(jiān)控、發(fā)號施令的PC機，當上位機收到MCU單元回傳的圖像信息，泵站管理人員可以根據(jù)情況進行處理，如派人進行對泵房進行巡檢，或者通過上位機遠程控制泵房內(nèi)排風系統(tǒng)進行降溫工作等，當泵房內(nèi)溫度降到M、N、Q中任意兩個以下時CCD攝像機待機不錄像。因此，只有在溫度檢測單元超出報警預設(shè)值時，MCU單元才控制現(xiàn)場監(jiān)控單元的打開（激活待機），而在報警值以下時，則保持控制現(xiàn)場監(jiān)控單元的關(guān)閉（待機）狀態(tài)，極大降低了系統(tǒng)運行的功耗。（2）通信單元功能的設(shè)計本系統(tǒng)通信單元包括了NB-IoT模塊和通信接口兩種通訊的方式，采用有線或無線兩種模式通訊，可以使本系統(tǒng)根據(jù)自身情況進行靈活選定，擴展了本系統(tǒng)的兼容性。當監(jiān)控中心與泵房所處距離較遠時，如大于2Km，則采用NB-IoT模塊進行無線信號通訊傳輸；當監(jiān)控中心與泵房所處距離較近時，如1Km，可以采用電纜進行通信；當通信距離適中時，如在1.5Km，可以采用有線、無線兩種方式通信進行，可以提高通信效率，并進一步提高精度。（3）現(xiàn)場檢測單元功能的設(shè)計從圖2-3可以看出：本系統(tǒng)現(xiàn)場檢測單元至少包括一組煙氣傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?，煙氣傳感器、火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)置在泵房電動機和配電設(shè)備、電線密集處，用于對泵房內(nèi)的電動機和配電設(shè)備、電線進行檢測，一旦出現(xiàn)過載電動機和配電設(shè)備、電線有煙氣或火焰冒出時，煙氣傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鲗⒔o與MCU單元信號，同時通過過載檢測單元對負載電流是否過載進行檢測，如產(chǎn)生過載則控制配電設(shè)備切斷電源，以避免發(fā)生火災，MCU單元依然控制激活CCD攝像機進行攝像，將錄像信息梳理后上傳上位機，上位機收到MCU單元回傳的圖像信息則對該情況進行處理，如對線路排查、更換老化電線等，若產(chǎn)生了初期的火焰，則通過控制消防模塊聯(lián)動進行滅火，當故障被排除，MCU單元控制CCD攝像機待機。因此，只有在現(xiàn)場檢測單元檢測出泵房內(nèi)的過載電動機和配電設(shè)備、電線有煙氣或火焰冒出時，MCU單元才控制現(xiàn)場監(jiān)控單元的打開（激活待機），而當故障解除時，則保持控制現(xiàn)場監(jiān)控單元的關(guān)閉（待機）狀態(tài)，極大降低了系統(tǒng)運行的功耗。（4）自然電源和外接電源功能的設(shè)計從圖2-3可以看出：本系統(tǒng)采用泵房供電的線路電壓，即自然電源（自然電源包括光伏發(fā)電模塊、蓄電池以及電子開關(guān)Ⅰ）、外接電源二者交替供電，緩解了泵房供電的線路的主動供電壓力，有效地利用了太陽能發(fā)電，從整體上為本系統(tǒng)節(jié)約電能，使運行功耗得到降低，可以實現(xiàn)對泵房的中央集中監(jiān)控，及時處理泵房設(shè)備的故障，“主動”降低泵站的設(shè)備故障率，有效降低管理運營成本，提高企業(yè)對加壓泵站管理水平，更好地保證供水，滿足用水需求。（5）數(shù)據(jù)服務器功能的設(shè)計本系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器提前錄入相關(guān)參數(shù)，以便MCU單元進行工作，同時在工作過程中，MCU單元可以對實時數(shù)據(jù)進行采集，二者進行數(shù)據(jù)交換，以提高檢測可靠性。（6）顯示屏功能的設(shè)計本系統(tǒng)顯示屏用于顯示各參數(shù)狀態(tài)以及顯示對MCU調(diào)整的參數(shù)。結(jié)論（1）本文針對已有基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系統(tǒng)對泵房溫度、電線和電機設(shè)備過載運行前兆無法及時監(jiān)控并進行處理的缺陷，對本系統(tǒng)的功能需求進行分析，確定創(chuàng)建目標，并進一步作系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計，使監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上更加完善和齊全。（2）本文設(shè)計出的基于NB-IOT低功耗泵房監(jiān)控遠傳系