基于NB-IoT的糧庫(kù)智能門窗群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃雙成 趙揚(yáng) 李志偉 劉世林 薛笑運(yùn)

摘要：針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)部分糧倉(cāng)建設(shè)年代久遠(yuǎn)，在老糧倉(cāng)改造升級(jí)過(guò)程中存在布線困難、成本高和擴(kuò)展性差的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種基于窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的智能門窗群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由若干個(gè)獨(dú)立糧倉(cāng)門窗群組成，每個(gè)獨(dú)立糧倉(cāng)的門窗群通過(guò)協(xié)調(diào)器并利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各自的狀態(tài)信息傳送到服務(wù)器，服務(wù)器提供遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)每個(gè)獨(dú)立糧倉(cāng)門窗群工作正常，網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，遠(yuǎn)程監(jiān)控效果好，可以滿足工程需求。

關(guān)鍵詞：糧倉(cāng)改造;門窗群;智能監(jiān)控;NB-IoT;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TP277.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）10-0245-05

收稿日期：2019-05-09

基金項(xiàng)目：河南省教育廳教育科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：GZS101）;河南省科學(xué)技術(shù)廳重大專項(xiàng)（編號(hào)：162107000055）。

作者簡(jiǎn)介：黃雙成（1977—），男，河南南陽(yáng)人，碩士，副教授，主要從事工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能檢測(cè)與智能控制等研究工作。E-mail：hsc424@163.com。

我國(guó)作為人口和農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大問(wèn)題[1]，然而，在全球每年的糧食損失中，儲(chǔ)藏階段的損失占10%～20%[2]。國(guó)家“十二五”和“十三五”規(guī)劃中反復(fù)強(qiáng)調(diào)要把保障糧食安全作為經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要任務(wù)來(lái)抓[3]。因此，針對(duì)糧食儲(chǔ)藏問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者做了大量研究，并將信息化、數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用到糧食儲(chǔ)藏中去[4-5]。但在建成的糧庫(kù)管理系統(tǒng)中，仍存在著諸多例如信息化程度低、工藝流程復(fù)雜、信息孤島嚴(yán)重等問(wèn)題[6]，此外，舊糧庫(kù)信息化改造升級(jí)過(guò)程中存在的布線困難、成本高、擴(kuò)展性和兼容性差的問(wèn)題尤為突出。為有效地延緩糧食陳化、變質(zhì)，保證糧食質(zhì)量，增加糧食管理的信息化程度，本研究擬設(shè)計(jì)開發(fā)1種基于窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)（narrow band internet of tings，簡(jiǎn)稱NB-IoT）智能門窗群通監(jiān)控系統(tǒng)。

1 NB-IoT技術(shù)簡(jiǎn)介

窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)是基于以全球移動(dòng)通信系統(tǒng)核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的第三代無(wú)線接口技術(shù)規(guī)范（the third generation partnership project，簡(jiǎn)稱3GPP）的一種無(wú)線接入技術(shù)，可直接部署于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)中，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)進(jìn)行蜂窩數(shù)據(jù)連接[7-8]，具有覆蓋增強(qiáng)、超低功耗、時(shí)延不敏感[9]及支持大量低吞吐量用戶設(shè)備接入的特點(diǎn)[10]，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表、智慧農(nóng)業(yè)、智能停車等領(lǐng)域，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)[11-12]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

糧庫(kù)智能門窗群系統(tǒng)按照工作層次結(jié)構(gòu)分為3層，分別是客戶端層、服務(wù)器層和終端節(jié)點(diǎn)層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

客戶端層以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式的糧庫(kù)門窗管理軟件，提供實(shí)時(shí)門窗控制、故障報(bào)警、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表生成等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧庫(kù)門窗的管理工作。

服務(wù)器層是監(jiān)聽服務(wù)器端口，一方面收集終端節(jié)點(diǎn)層發(fā)來(lái)的門窗狀態(tài)數(shù)據(jù)，收集并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中;另一方面根據(jù)客戶端發(fā)出的控制命令，把指令信息發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)層有糧庫(kù)單個(gè)門和窗終端、ZigBee（一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)上協(xié)議）網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)器和通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（GPRS）網(wǎng)絡(luò)組成，功能是控制和檢測(cè)門和窗的狀態(tài)，接收并執(zhí)行GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的各種控制命令。

系統(tǒng)基本原理如下：終端每個(gè)門窗有傳感器和執(zhí)行裝置，每個(gè)終端芯片對(duì)其自身狀態(tài)進(jìn)行采集和處理后通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器;由協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)到GPRS模塊，GPRS模塊利用NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器層，最終經(jīng)服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳藢?。此外客戶端層也可以根?jù)實(shí)際需要發(fā)送指令， 讓指令通過(guò)服務(wù)器層、GPRS網(wǎng)絡(luò)

和協(xié)調(diào)器傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個(gè)門窗終端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端每個(gè)門窗的智能控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

糧庫(kù)智能門窗群系統(tǒng)中，終端每一個(gè)門窗節(jié)點(diǎn)不僅反饋門窗信息狀態(tài)給服務(wù)器，同時(shí)也接收服務(wù)器的開關(guān)控制指令，而且通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器通信，因此將ZigBee終端作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。ZigBee終端主要由供電裝置、調(diào)試電路、門傳感器、窗傳感器和通信模塊等構(gòu)成。

3.1 通信模塊選型

綜合考慮系統(tǒng)成本、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易程度、功耗等因素后，硬件選用美國(guó)德州儀器公司最新片上系統(tǒng)CC2530芯片作為ZigBee終端硬件的核心。CC2530集成了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz頻段的射頻（RF）無(wú)線電收發(fā)機(jī)[13]，射頻調(diào)制模式為直接序列展頻（DSSS），具有較高的無(wú)線接收靈敏度和抗干擾性，傳輸距離大于75 m，傳輸速率最高達(dá) 250 kB/s。CC2530集成1個(gè)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核，還有廣泛的外設(shè)集，只需少量外圍電路即可構(gòu)建一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。CC2530支持工作電壓范圍為2.0～3.6 V，工作溫度為-40～125 ℃，適合待機(jī)長(zhǎng)且環(huán)境變化大的室外工作場(chǎng)所。

3.2 傳感控制模塊設(shè)計(jì)

ZigBee終端搭載門窗傳感器和繼電器，系統(tǒng)在線監(jiān)控門和窗的狀態(tài)，通過(guò)繼電器控制電動(dòng)開關(guān)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)門和窗的開關(guān)操作。終端主要包括電源模塊、無(wú)線發(fā)射模塊、ZigBee CC2530模塊、門窗磁傳感器模塊和調(diào)試模塊等組成，具體硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

門窗磁傳感器模塊[14]的主要元件是干簧管和磁鐵，利用磁鐵控制干簧管開、合的原理來(lái)采集門窗狀態(tài)，然后由CC2530通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器上報(bào)門窗狀態(tài)。門窗的執(zhí)行主要由繼電器實(shí)現(xiàn)，客戶端下達(dá)門窗開關(guān)指令后，指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)ZigBee CC2530模塊，然后通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)門窗的開關(guān)操作。

3.3 電源模塊設(shè)計(jì)

主要考慮糧倉(cāng)改造升級(jí)過(guò)程中存在的布線困難、成本高及糧庫(kù)規(guī)范化的客觀要求，本系統(tǒng)電源模塊采用太陽(yáng)能采集系統(tǒng)[15]供電，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

太陽(yáng)能電池采集到太陽(yáng)能，通過(guò)充電管理芯片CN3065對(duì)鋰電池進(jìn)行充電?？紤]到系統(tǒng)中傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊的工作電壓不相同，因此鋰電池需要通過(guò)升壓或者降壓的變化才能夠正常供電。本系統(tǒng)直流電源/直流電源（DC/DC）轉(zhuǎn)換采用TI公司的2款電源管理芯片TPS63001DRC（3.3 V）和TPS63002DRC（5.0 V），為系統(tǒng)提供33、5.0 V等2種電壓，解決了布線困難的窘?jīng)r，同時(shí)方便了用戶對(duì)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的維護(hù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 終端節(jié)點(diǎn)通信程序?qū)崿F(xiàn)

終端節(jié)點(diǎn)主要是形成ZigBee節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，功能是完成終端門窗信息采集和命令執(zhí)行。其終端節(jié)點(diǎn)軟件流程見圖4。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)主程序?qū)崿F(xiàn)

主程序工作過(guò)程見圖5，終端節(jié)點(diǎn)通電后，主程序首先進(jìn)行初始化操作，完成各個(gè)模塊的初始化;調(diào)用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）模塊采集太陽(yáng)電池板電壓/電流、蓄電池電壓;調(diào)用各個(gè)門和窗傳感器采集信號(hào)，通過(guò)GPRS模塊，利用NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器層后進(jìn)入節(jié)能工作模式。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，由于目前現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)相當(dāng)成熟，大多采用B/S結(jié)構(gòu)基于傳輸控制/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（TC/IP）實(shí)現(xiàn)，具體組織結(jié)構(gòu)見圖6。

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

整個(gè)系統(tǒng)以中央儲(chǔ)備糧商丘直屬庫(kù)13號(hào)倉(cāng)為例進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，13號(hào)倉(cāng)基本情況如下：倉(cāng)房長(zhǎng) 60 m，寬24 m，裝糧線高7 m，北側(cè)通風(fēng)窗8個(gè)，軸流窗2個(gè);南側(cè)通風(fēng)窗7個(gè)，通風(fēng)口5個(gè)，軸流窗2個(gè)。

試驗(yàn)開始前，首先讓ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)與4G網(wǎng)絡(luò)相連成功，試驗(yàn)開始后，管理人員通過(guò)監(jiān)控界面可以直觀地看到13倉(cāng)各窗的狀態(tài)，通過(guò)遠(yuǎn)程開關(guān)窗操作后，相關(guān)窗執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，基本實(shí)現(xiàn)了糧倉(cāng)門窗群的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為驗(yàn)證通信的可靠性，在

5 h的試驗(yàn)過(guò)程中， 各試驗(yàn)終端節(jié)點(diǎn)每3 min采集1組數(shù)據(jù)并發(fā)送，各終端節(jié)點(diǎn)共采集發(fā)送100條數(shù)據(jù)記錄，在遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)上接收到100條數(shù)據(jù)記錄，傳輸準(zhǔn)確率達(dá)100%，完全滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。實(shí)際運(yùn)行畫面見圖7、圖8。

6 結(jié)論

糧庫(kù)智能門窗群監(jiān)控系統(tǒng)利用NB-IoT技術(shù)，設(shè)計(jì)了糧倉(cāng)智能門窗群的硬件和軟件系統(tǒng);完成對(duì)糧倉(cāng)門窗群狀態(tài)的采集、傳輸，同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，有效解決了糧倉(cāng)門窗群的信息化管理，徹底解決了糧倉(cāng)改造升級(jí)過(guò)程中存在的布線困難、成本高和擴(kuò)展性差的情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集傳輸可靠，協(xié)調(diào)器與服務(wù)器通信正常，具有推廣的意義和價(jià)值。下一步將優(yōu)化終端節(jié)點(diǎn)體積，提高可靠性和實(shí)用性，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)糧庫(kù)更多參數(shù)的精確采集，并把該設(shè)計(jì)進(jìn)一步應(yīng)用和推廣整個(gè)老糧庫(kù)改造升級(jí)系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉志祥. 我國(guó)糧情測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及展望[J]. 糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊，2013（6）：38-39.

[2]Kostyukovsky M，Trostanetsky A，Quinn E. Novel approaches for integrated grain storagemanagement[J]. Israel Journal of Plant Sciences，2016，63（1）：1-10.

[3]祁應(yīng)梅. 糧庫(kù)信息化管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2017.

[4]Mishra A，Prabuthas P，Mishra H N. Grain storage：methods and measurements[J]. Quality Assurance and Safety of Crops & Foods，2012，4（3）：144.

[5]Zhong B C，Yang Z Z. A temperature and humidity monitoring system of grain depot based on WSN[J]. Applied Mechanics & Materials，2014，602：1988-1991.

[6]李浩杰，丁建武，付鵬程，等. 智能化糧庫(kù)建設(shè)及應(yīng)用思考[J]. 糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊，2016（1）：1-5.

[7]Mangalvedhe N，Ratasuk R，Ghosh A. NB-IoT deployment study for low power wide area celluar IoT[C]. 27th Annual International Sym-posium on Personal，Indoor，and Mobile Radio Com-mumications（PIMRC），Valencia：IEEE，2016.

[8]Ratasuk R，Vejlgaard B，Mangalvedhe N，et al. NB-IoT system for M2M communication[C]. Wireless Communications and Networking Conference，Doha：IEEE，2016：428-432.

[9]張德民，張 穎，周述淇，等. NB-IoT系統(tǒng)隨機(jī)接入過(guò)程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 光通信研究，2018（4）：74-78.

[10]Zayas A D，Merino P. The 3GPP NB-IoT system ar-chitecture for the Internet of things[C]. 2017 IEEE International Conference on Communications Work-shops，Paris：IEEE，2017.

[11]何澤鵬. 基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)性能及應(yīng)用[J]. 廣東通信技術(shù)，2017，37（3）：29-34，65.

[12]劉德全，傅子維，盧如東，等. 窄帶物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案研究[J]. 廣東通信技術(shù)，2017，37（7）：22-25.

[13]王 鑫，潘 賀，楊 簡(jiǎn). 基于CC2530的ZigBee無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（3）：217-220，238.

[14]張貝貝. 基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 青島：青島科技大學(xué)，2016.

[15]趙天驥. 適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2015.