一種糧倉環(huán)境監(jiān)測及追蹤系統(tǒng)設計

安徽商貿(mào)職業(yè)技術學院信息與人工智能學院 孫握瑜

結(jié)合NB-IoT網(wǎng)絡通訊技術、傳感器技術、視頻監(jiān)控技術和云計算技術等，給出了一種基于NB-IoT技術的糧倉環(huán)境監(jiān)測及追蹤系統(tǒng)設計。系統(tǒng)采集了糧倉中各個區(qū)域的溫度、濕度、二氧化碳、氮氣探測器等，NB-IoT通訊模組負責將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)平臺，倉管人員通過移動終端訪問平臺數(shù)據(jù)，實時掌握當前糧倉各區(qū)域的各項環(huán)境參數(shù)，并可以第一時間掌握異常數(shù)據(jù)所發(fā)生的糧倉廒間地址，經(jīng)過系統(tǒng)工程開發(fā)實施，驗證了基于NB-IoT的糧倉環(huán)境監(jiān)控及追蹤系統(tǒng)具有一定實用性。

糧食存儲過程中首先要對溫度和濕度進行測量和控制，為了確保糧倉低氧或無氧環(huán)境條件保存，還需要向糧倉中通入氮氣并對對氮氣濃度進行監(jiān)測，一旦出現(xiàn)氮氣濃度低于限定值進行及時報警某糧倉區(qū)域有問題。目前在遠程監(jiān)控方面有基于4G移動通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)了煙霧或紅外人體等傳感模塊與GPRS模塊硬件集成化，對傳感器數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一編碼與發(fā)送，這種監(jiān)控方案在檢測傳感器數(shù)量大的時候成本也很高；也有基于ZigBee技術通過終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)遠程監(jiān)控，但當應用于糧倉環(huán)境監(jiān)控上會存在網(wǎng)絡不穩(wěn)定、傳輸干擾大等問題。針對以上情況，結(jié)合NB-IoT網(wǎng)絡的遠距離、低功耗、高性能、支持大規(guī)模組網(wǎng)特性，我們給出一種基于NB-IoT的糧倉環(huán)境監(jiān)測及追蹤系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構設計

本系統(tǒng)針對糧倉環(huán)境監(jiān)測和追蹤需求進行設計。系統(tǒng)監(jiān)測每個廒間的溫濕度和二氧化碳、氮氣、氧氣等氣體濃度數(shù)據(jù)，需要在每個廒間堆糧線上安裝氣體監(jiān)測裝置，堆糧線以下設置若干溫濕度監(jiān)測點。傳感器通過I/O通訊方式與NB-IoT通訊模組連接。所有檢測到廒間的溫濕度和其他氣體濃度數(shù)據(jù)均通過NB-IoT通訊模組將數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)平臺。每個NB-IoT通訊模組映射一個糧倉廒間地址，當傳感器采集數(shù)據(jù)有異常時，系統(tǒng)可根據(jù)此地址映射表追蹤到異常數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的位置，并將該位置推送至監(jiān)控終端。系統(tǒng)層次架構圖如圖1所示，包含應用層、服務層、硬件控制層和底層硬件層。在服務層主要部署有服務端程序、數(shù)據(jù)庫和服務端的API接口程序。硬件控制層包括負責NB-IoT網(wǎng)絡通信的eNodeB、EPC核心網(wǎng)，以及負責監(jiān)控設備接入所需的網(wǎng)絡交換機，eNodeB承擔空口接入處理，和每個廒間的NB-IoT通訊模組進行通訊，同時通過S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進行連接。交換機下連接的是各路監(jiān)控設備，系統(tǒng)監(jiān)控模塊可以查看到每個廒間的監(jiān)控設備采集的實時視頻數(shù)據(jù)和歷史視頻數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)層次架構圖

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端硬件電路設計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端主要包括傳感器模塊、控制器模塊和NBIoT模組，本系統(tǒng)采用STM32作為中央控制器，采用BC95模塊作為NB-IoT通訊模組。傳感器把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制器，中央控制器將采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT通訊模組發(fā)送出去。

2.1 NB-IoT通訊模組電路設計

BC95模塊設有兩個串口：主串口和調(diào)試串口，其作為DCE（Data Communication Equipment），并按照傳統(tǒng)的DCE-DTE（Data Terminal Equipment）方式連接。主串口TXD引腳用于發(fā)送數(shù)據(jù)到DTE設備的RXD端，RXD引腳用于從DTE設備TXD端接收數(shù)據(jù)，RI引腳為振鈴提示（DCE有URC輸出或者短消息接收時會發(fā)送信號通知DTE）。BC95的主串口與STM32連接方式示意圖如圖2所示。系統(tǒng)為了降低串口功耗，在模塊和主機的串口連接上加入1KΩ以上的電阻，用于降低串口電流，增加了3.3V電平轉(zhuǎn)換電路，電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 主串口連接示意圖

圖3 3.3V 電平轉(zhuǎn)換電路

2.2 控制器模塊驅(qū)動設計

系統(tǒng)終端上電后，首先MCU初始化、啟動LoRa模塊，然后檢測NB網(wǎng)絡信號等待加入網(wǎng)絡，如加入網(wǎng)絡成功，則讀取傳感器模塊數(shù)據(jù)。本采集終端系統(tǒng)設定每隔5s采集一次傳感器值，然后判斷是否收到主機的讀取指令，收到則將傳感器數(shù)據(jù)通過NB-IoT網(wǎng)絡發(fā)送至系統(tǒng)服務端?？刂破髂K驅(qū)動程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制器模塊驅(qū)動程序流程圖

圖5 廒間數(shù)據(jù)監(jiān)測界面

3 系統(tǒng)測試

為了檢驗本文給出的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集終端硬件設計的有效性，將本系統(tǒng)的10個氮氣采集終端節(jié)點安裝在糧倉不同廒間，系統(tǒng)服務端部署在阿里云ECS.S6系列2核4GB服務器中，Windows Server2012R2數(shù)據(jù)中心版（64位）、Sqlserver2012R2的環(huán)境中。通過移動端APP可以查詢到10個廒間數(shù)據(jù)，廒間數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖5所示，其中東1庫區(qū)1號廒間氮氣濃度為200.167mg/L，其余溫度、濕度、二氧化碳和氧氣沒有布置測試傳感器，數(shù)據(jù)均為0。

結(jié)束語：本文基于NB-IoT技術，針對糧倉環(huán)境監(jiān)測及異常追蹤問題，進行相應系統(tǒng)軟硬件設計，給出了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端的硬件、驅(qū)動程序設計，及系統(tǒng)服務端和移動端程序程序設計，實現(xiàn)了通過手機APP可以查詢到糧倉各個廒間實時環(huán)境數(shù)據(jù)。測試表明，檢測傳感器終端安裝簡單方便，穩(wěn)定性好。下一步，系統(tǒng)需要進一步完善系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)遠程操控的穩(wěn)定性，以避免系統(tǒng)中云端化環(huán)境數(shù)據(jù)和設備被第三方非法訪問利用。