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当电锅炉遇上物联网,颠覆正在来临

2019-06-20  来源:人民邮电报  作者:董博远

物联网正在被越来越多的人熟知并使用。从物联网发展史上看,最早的应用可追溯到1990年施乐公司推出的能够联网的?#36828;?#21806;货机,而今天,随着以物联网为代表的新一代信息通信技术加速与传统行业融合,更多的新技术和新应用涌现。其中,基于物联网的新型锅炉?#20302;?#27491;在兴起。

“主流”通信技术

在物联网的应用场景中,很多情况下人和设备只需要在视距范围内通信,比如家庭、商场、车间等。但也存在长距离通信的情况,比如城市的网格化空气质量检测网、无人驾驶等。通常,业界将100米以内的通信定义为短距离通信,而超过1公里的通信则称为长距离通信。

?#37038;导视?#29992;上看,目前没有任何一种通信技术能够满足所有物联网设备的通信需求,因而综合考虑功耗、成本、效率等因素,多数物联网项目都会使用多种通信技术。下面,就来看看在物联网中应用的几种主要的通信技术。

短距离通信

在物联网中应用的短距离通信技术有蓝牙、WiFi、ZigBee、射频识别(RFID)及近场通信(NFC)。

在民用级物联网中,蓝牙和WiFi两种技术被广泛使用,这两种技术的优势在于目前智能手机中已经集成了相关的硬件,大大降低了用户的联网成本,而且具有很好的用户体验。

蓝牙技术最早由IBM公司提出,目前已发展到5.0版本,它针对物联网场景做了很多优化,能以很低的功耗服务于家居类的物联网应用。WiFi技术的特点并不在低功耗上,而是在高带宽上。主流的802.11ac标准在理论上能够达到1.3Gbps的传输速率,而即将应用的802.11ad标准将会把传输速率提高到约7Gbps,能够为家庭多媒体应用带来更完备的高清视频解决方案。

工业级别的物联网场景中,常见的短距离通信技术当属ZigBee,它可工作在2.4GHz、868MHz和915MHz频段上,分别具有最高250kbps、20kbps和40kbps的传输速率,它的传输距离在10m~75m的范围内,由ZigBee组成的类似于移动网络的蜂窝状结构可以把网络覆盖范围扩展到几百米甚至几公里,ZigBee以其高容量、低功耗、低成本、支持Mash网络等优点一度被认为是最有前景的物联网通信技术,但由于ZigBee协议没有开源,无法使用IP协议等原因限制了它在实际中的应用。

在物联网近距离通信技术中,除了用于连接的技术之外,还有用于感知的通信技术,典型的感知类通信技术有RFID和NFC。RFID技术衍生的产品大概有三大类:第一类是公交卡、银行卡、二代身份证等无源RFID产品;第二类是由智能监狱、智能医院等场景衍生出来的有源RFID产品,由内置电池驱动的发射电路能够主动将信息送到十几米远的感知设备中,属于远距离?#36828;?#35782;别类;第三类是半有源RFID产品。简言之,就是近距离激活定位,远距离识别及上传数据,典型的应用场景?#22411;?#36710;场的管理?#20302;场FC也是一种超短距离的高频无线通信技术,?#24066;?#30005;?#30001;?#22791;在不到10厘米的范围内进行数据交换。NFC属于RFID范畴,在智能手机上有广泛应用。

长距离通信

物联网场景下的长距离通信,既有基于传统授权频率的通信技术,如GPRS、3G、4G、5G等,也有使用非授权频率通信技术,如LoRa等,两者各有优劣,互为补充。

在授权频率体系中,GPRS是最传统的通信技术,GPRS是GSM的一种移动数据业务,依托于2G网络。得益于运营商不断优化,虽然GPRS有传输速率慢、模块功耗偏高等问题,但其仍然是当前信号覆盖面积最广的移动物联网。

虽然5G商用已开启,但是目前主流的通信技术仍是4G。由于引入了OFDM技术,业界解决了CDMA的自干扰问题,另外还有智能天线与MIMO?#20302;?#32467;合技术的加入,通过增加天线数目改善发射信噪比等方式来实现波?#38382;?#32538;,提高了4G网络的数据传输速?#22987;?#24615;能。针对物联网应用,4G在Release12标准制定中,定义了LTE Category 0(Cat-0)设备。该设备的速率被“裁剪”到1Mbps,采用半双工机制,不支持MIMO,而正是由于这些修?#27169;?#20351;得Cat 0模式大大降低了成本、复杂度和功耗。随后,在Cat 0的基础上,2015年9月3GPP提出了NB-IoT技术,即窄带物联网。

NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。NB-IoT具备五大特点:一是广覆盖,二是支撑高并发连接的能力,三是部署方便,四是更低功耗,五是更低的模块成本。目前,NB-IoT已被3GPP列入5G标准。

目前,5G有三大标准,分别是LTE、LTE-U和NB-IoT。LTE属于授权频道,主要应用于语音和高速数据。LTE-U属于非授权频道,可以在300米~500米范围内提供高速网络连接,直接切入WiFi领域,进行正面对抗,ISM(工业、科学、医疗)这三个领域可以使用,主要频段从5kHz、13.56MHz一直到2.4GHz和5.8GHz。NB-IoT进入5G标准之后,可以推动物联网行业的高速发展,在低成本、高覆盖的前提下开发出更广泛的应用。

除了长距离通信授权频率,在非授权领域,市场上成熟的技术有LoRa、PRMA、Sigfox等。这些技术中,以LoRa应用最为广泛,LoRa来源于Long Range这个单词,是一种长距离通信技术。LoRa技术基于线性Chirp扩频调制,由于Chirp扩频调制有长距离传输以及很好的抗干扰特性,使得LoRa在带有PA LNA的情况下提供了1000米以上的覆盖半径,并且可以在9600的波特率上实现极低的误码率,已经在军事和航天通信方面应用多年。

物联网赋能电锅炉行业

自2016年以来,华北地区加快实施煤改项目,其中以“煤改电”“煤改气”为主要实施方案。经过3年的试点和改革,以“煤改电”为代表的冬季采暖改造推进最为顺利,在采暖行业中产生?#21496;?#22823;的影响,催生了全新的市场空间。

在这个新市场中,各大锅炉厂家争先推出新品,扩大自己的市场份额。因为电锅炉炉体设计和控制器设计是成熟技术,生产流程和控制逻辑已经非常完善,所以锅炉厂家在产品升级方面?#36861;?#30596;准物联网技术,将联网化、智能化作为新亮点。

锅炉?#20302;?#19968;般由主锅炉、辅助机、传感器、控制器等部分构成,其中控制器负责锅炉整体的运行和状态监测,其他各个部分的设备由RS485或者RS232等线路汇聚到控制器上。传统锅炉控制器会有操作界面或者经由数据线连接电脑,使用者想对锅炉进行操作或者监控,必须在现场实现。而物联网技术的应用,正在给锅炉?#20302;?#25972;体结构带来颠覆(如左图所示)。

引入物联网的锅炉体系,各个模块之间的通信可以由串口或者RS485更新为ZigBee或者LoRa。其中LoRa技术传输距离远,组网能力稍微逊色于ZigBee,可用于远离控制器并且通信不频繁的节点;ZigBee用于距离控制器比较近,需要数据实时性好并且可靠?#32422;?#39640;的组网场景。

与传统锅炉?#20302;?#30456;比,引入物联网之后,基于WiFi的无线高带宽优势,新型锅炉?#20302;?#21487;以将视频监控?#20302;?#38598;成于新型锅炉?#20302;?#20013;,实现现场声影与数据联动,同时通过4G或者5G网络将控制器与云端连接起来,能够实现数据远程上报、管理。

一般情况下,云端?#20302;?#21487;以提供五大功能:一、数据上云,监控锅炉的全生命周期。二、根据控制器的GIS信息,实现多个控制器联动,精细化调节水温。三、预测锅炉运行状态。根据锅炉所在地的气象信息,预先调节锅炉运行状态,使得终端用户获得稳定的温度。四、维护远程化。引入监控?#20302;常?#21487;以使得技术员在不到现场的情况下,根据现场场景和传感器数据,对锅炉进行远程维护,降低锅炉运维成本。五、多端管理。引入新的云端?#20302;常市?#36890;过PC端和移动端共同管理其下属的锅炉控制器,使得非现场人员可以在极短时间内得到锅炉的运行状态信息以及历史运行数据。另外,引入移动端之后,也能极大地缩短锅炉报警的售后响应时间,使得技术员能够在最短时间内查看报警信息并对现场进行技术指导。

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“锅炉?#20302;?物联网”?#38382;劍?#24102;来了更多的创新和创造,消除了过去的信息孤岛所带来的种种不便,实现了过去没有的、想不到的和不敢想的功能。在这些场景下,结合大数据技术,?#20302;?#36824;能够为?#32321;!?#23433;监等部门提供各种数据支撑。对于锅炉设备企业而言,该?#20302;?#33021;够帮助其实现从“卖设备”向“卖服务、卖体验”转型,极大地提高产业附加值,从当前竞争激?#19994;摹?#32418;海”市场迈入前景广阔的“蓝海”市场。

关键词:物联网 电锅炉 Mash 高清视频 控制器

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