技術
首頁  >  技術  >  技術要聞

當電鍋爐遇上物聯網,顛覆正在來臨

2019-06-20  來源:人民郵電報  作者:董博遠

物聯網正在被越來越多的人熟知并使用。從物聯網發展史上看,最早的應用可追溯到1990年施樂公司推出的能夠聯網的自動售貨機,而今天,隨著以物聯網為代表的新一代信息通信技術加速與傳統行業融合,更多的新技術和新應用涌現。其中,基于物聯網的新型鍋爐系統正在興起。

“主流”通信技術

在物聯網的應用場景中,很多情況下人和設備只需要在視距范圍內通信,比如家庭、商場、車間等。但也存在長距離通信的情況,比如城市的網格化空氣質量檢測網、無人駕駛等。通常,業界將100米以內的通信定義為短距離通信,而超過1公里的通信則稱為長距離通信。

從實際應用上看,目前沒有任何一種通信技術能夠滿足所有物聯網設備的通信需求,因而綜合考慮功耗、成本、效率等因素,多數物聯網項目都會使用多種通信技術。下面,就來看看在物聯網中應用的幾種主要的通信技術。

短距離通信

在物聯網中應用的短距離通信技術有藍牙、WiFi、ZigBee、射頻識別(RFID)及近場通信(NFC)。

在民用級物聯網中,藍牙和WiFi兩種技術被廣泛使用,這兩種技術的優勢在于目前智能手機中已經集成了相關的硬件,大大降低了用戶的聯網成本,而且具有很好的用戶體驗。

藍牙技術最早由IBM公司提出,目前已發展到5.0版本,它針對物聯網場景做了很多優化,能以很低的功耗服務于家居類的物聯網應用。WiFi技術的特點并不在低功耗上,而是在高帶寬上。主流的802.11ac標準在理論上能夠達到1.3Gbps的傳輸速率,而即將應用的802.11ad標準將會把傳輸速率提高到約7Gbps,能夠為家庭多媒體應用帶來更完備的高清視頻解決方案。

工業級別的物聯網場景中,常見的短距離通信技術當屬ZigBee,它可工作在2.4GHz、868MHz和915MHz頻段上,分別具有最高250kbps、20kbps和40kbps的傳輸速率,它的傳輸距離在10m~75m的范圍內,由ZigBee組成的類似于移動網絡的蜂窩狀結構可以把網絡覆蓋范圍擴展到幾百米甚至幾公里,ZigBee以其高容量、低功耗、低成本、支持Mash網絡等優點一度被認為是最有前景的物聯網通信技術,但由于ZigBee協議沒有開源,無法使用IP協議等原因限制了它在實際中的應用。

在物聯網近距離通信技術中,除了用于連接的技術之外,還有用于感知的通信技術,典型的感知類通信技術有RFID和NFC。RFID技術衍生的產品大概有三大類:第一類是公交卡、銀行卡、二代身份證等無源RFID產品;第二類是由智能監獄、智能醫院等場景衍生出來的有源RFID產品,由內置電池驅動的發射電路能夠主動將信息送到十幾米遠的感知設備中,屬于遠距離自動識別類;第三類是半有源RFID產品。簡言之,就是近距離激活定位,遠距離識別及上傳數據,典型的應用場景有停車場的管理系統。NFC也是一種超短距離的高頻無線通信技術,允許電子設備在不到10厘米的范圍內進行數據交換。NFC屬于RFID范疇,在智能手機上有廣泛應用。

長距離通信

物聯網場景下的長距離通信,既有基于傳統授權頻率的通信技術,如GPRS、3G、4G、5G等,也有使用非授權頻率通信技術,如LoRa等,兩者各有優劣,互為補充。

在授權頻率體系中,GPRS是最傳統的通信技術,GPRS是GSM的一種移動數據業務,依托于2G網絡。得益于運營商不斷優化,雖然GPRS有傳輸速率慢、模塊功耗偏高等問題,但其仍然是當前信號覆蓋面積最廣的移動物聯網。

雖然5G商用已開啟,但是目前主流的通信技術仍是4G。由于引入了OFDM技術,業界解決了CDMA的自干擾問題,另外還有智能天線與MIMO系統結合技術的加入,通過增加天線數目改善發射信噪比等方式來實現波形束縛,提高了4G網絡的數據傳輸速率及性能。針對物聯網應用,4G在Release12標準制定中,定義了LTE Category 0(Cat-0)設備。該設備的速率被“裁剪”到1Mbps,采用半雙工機制,不支持MIMO,而正是由于這些修改,使得Cat 0模式大大降低了成本、復雜度和功耗。隨后,在Cat 0的基礎上,2015年9月3GPP提出了NB-IoT技術,即窄帶物聯網。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯網市場,是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。NB-IoT具備五大特點:一是廣覆蓋,二是支撐高并發連接的能力,三是部署方便,四是更低功耗,五是更低的模塊成本。目前,NB-IoT已被3GPP列入5G標準。

目前,5G有三大標準,分別是LTE、LTE-U和NB-IoT。LTE屬于授權頻道,主要應用于語音和高速數據。LTE-U屬于非授權頻道,可以在300米~500米范圍內提供高速網絡連接,直接切入WiFi領域,進行正面對抗,ISM(工業、科學、醫療)這三個領域可以使用,主要頻段從5kHz、13.56MHz一直到2.4GHz和5.8GHz。NB-IoT進入5G標準之后,可以推動物聯網行業的高速發展,在低成本、高覆蓋的前提下開發出更廣泛的應用。

除了長距離通信授權頻率,在非授權領域,市場上成熟的技術有LoRa、PRMA、Sigfox等。這些技術中,以LoRa應用最為廣泛,LoRa來源于Long Range這個單詞,是一種長距離通信技術。LoRa技術基于線性Chirp擴頻調制,由于Chirp擴頻調制有長距離傳輸以及很好的抗干擾特性,使得LoRa在帶有PA LNA的情況下提供了1000米以上的覆蓋半徑,并且可以在9600的波特率上實現極低的誤碼率,已經在軍事和航天通信方面應用多年。

物聯網賦能電鍋爐行業

自2016年以來,華北地區加快實施煤改項目,其中以“煤改電”“煤改氣”為主要實施方案。經過3年的試點和改革,以“煤改電”為代表的冬季采暖改造推進最為順利,在采暖行業中產生了巨大的影響,催生了全新的市場空間。

在這個新市場中,各大鍋爐廠家爭先推出新品,擴大自己的市場份額。因為電鍋爐爐體設計和控制器設計是成熟技術,生產流程和控制邏輯已經非常完善,所以鍋爐廠家在產品升級方面紛紛瞄準物聯網技術,將聯網化、智能化作為新亮點。

鍋爐系統一般由主鍋爐、輔助機、傳感器、控制器等部分構成,其中控制器負責鍋爐整體的運行和狀態監測,其他各個部分的設備由RS485或者RS232等線路匯聚到控制器上。傳統鍋爐控制器會有操作界面或者經由數據線連接電腦,使用者想對鍋爐進行操作或者監控,必須在現場實現。而物聯網技術的應用,正在給鍋爐系統整體結構帶來顛覆(如左圖所示)。

引入物聯網的鍋爐體系,各個模塊之間的通信可以由串口或者RS485更新為ZigBee或者LoRa。其中LoRa技術傳輸距離遠,組網能力稍微遜色于ZigBee,可用于遠離控制器并且通信不頻繁的節點;ZigBee用于距離控制器比較近,需要數據實時性好并且可靠性極高的組網場景。

與傳統鍋爐系統相比,引入物聯網之后,基于WiFi的無線高帶寬優勢,新型鍋爐系統可以將視頻監控系統集成于新型鍋爐系統中,實現現場聲影與數據聯動,同時通過4G或者5G網絡將控制器與云端連接起來,能夠實現數據遠程上報、管理。

一般情況下,云端系統可以提供五大功能:一、數據上云,監控鍋爐的全生命周期。二、根據控制器的GIS信息,實現多個控制器聯動,精細化調節水溫。三、預測鍋爐運行狀態。根據鍋爐所在地的氣象信息,預先調節鍋爐運行狀態,使得終端用戶獲得穩定的溫度。四、維護遠程化。引入監控系統,可以使得技術員在不到現場的情況下,根據現場場景和傳感器數據,對鍋爐進行遠程維護,降低鍋爐運維成本。五、多端管理。引入新的云端系統,允許通過PC端和移動端共同管理其下屬的鍋爐控制器,使得非現場人員可以在極短時間內得到鍋爐的運行狀態信息以及歷史運行數據。另外,引入移動端之后,也能極大地縮短鍋爐報警的售后響應時間,使得技術員能夠在最短時間內查看報警信息并對現場進行技術指導。

* * *

“鍋爐系統 物聯網”形式,帶來了更多的創新和創造,消除了過去的信息孤島所帶來的種種不便,實現了過去沒有的、想不到的和不敢想的功能。在這些場景下,結合大數據技術,系統還能夠為環保、安監等部門提供各種數據支撐。對于鍋爐設備企業而言,該系統能夠幫助其實現從“賣設備”向“賣服務、賣體驗”轉型,極大地提高產業附加值,從當前競爭激烈的“紅海”市場邁入前景廣闊的“藍海”市場。

關鍵詞:物聯網 電鍋爐 Mash 高清視頻 控制器

云南快乐10分玩法中奖规则