基于NB-IOT的糧倉(cāng)蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝剛 岐世峰 李欣悅

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.008

摘? 要：現(xiàn)階段糧倉(cāng)蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)方式單一，存在效率低、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。憑借NB-IOT低功耗、低成本等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款基于NB-IOT的糧倉(cāng)蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)NB-IOT無(wú)線通信模塊進(jìn)行傳輸，采用電容法檢測(cè)糧倉(cāng)蟲(chóng)害數(shù)量及種類。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)試和反饋，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有低功耗、高可靠性和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)蟲(chóng)害問(wèn)題的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠很好地滿足應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：NB-IOT;電容法;蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM93? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）09-0027-04

Design of Granary Pest Monitoring System Based on NB-IOT

XIE Gang，QI Shifeng，LI Xinyue

（Panzhihua University，Panzhihua? 617000，China）

Abstract：At this stage，the granary pests monitoring method is single，and there are some problems，such as low efficiency and poor stability. Based on the characteristics of low power consumption and low cost of NB-IOT，a granary pest monitoring system based on NB-IOT is designed. The system transmits through NB-IOT wireless communication module，and uses capacitance method to detect the number and types of pests in granary. Through field test and feedback，it is verified that the system has the characteristics of low power consumption，high reliability and strong flexibility. It can realize the real-time monitoring of granary pest problems，and can well meet the application requirements.

Keywords：NB-IOT;capacitance method;pest monitoring sensor;monitoring system

0? 引? 言

糧食問(wèn)題作為一個(gè)關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大問(wèn)題在我國(guó)歷來(lái)深受重視，糧食不僅是國(guó)家之根本，也具有重大的戰(zhàn)略意義。隨著國(guó)際社會(huì)矛盾的日益加深，以美國(guó)為首的西方國(guó)家正在極力打壓中國(guó)，糧食存儲(chǔ)安全業(yè)已成為我們最有效最根本的保障，針對(duì)我國(guó)糧食儲(chǔ)藏?cái)?shù)量大的特點(diǎn)，不斷發(fā)展糧食儲(chǔ)藏及監(jiān)測(cè)技術(shù)，以確保國(guó)家糧食安全，是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)^[1]。而糧倉(cāng)糧食在日常保管中經(jīng)常發(fā)生蟲(chóng)害，有效檢測(cè)糧堆各處的蟲(chóng)害發(fā)生情況是保障糧食存儲(chǔ)安全的重要一環(huán)。首先確定糧食害蟲(chóng)的種類及數(shù)量等，然后再采取相應(yīng)的治理措施，亦可為熏蒸階段采用的施藥濃度、施藥時(shí)間以及施藥方式提供數(shù)據(jù)支持，保證糧食的存儲(chǔ)安全。現(xiàn)有對(duì)糧倉(cāng)的監(jiān)測(cè)，如CN101441805A公開(kāi)的“一種傳感器網(wǎng)絡(luò)糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，在糧倉(cāng)內(nèi)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。通常都是采集糧倉(cāng)內(nèi)的溫度、濕度、糧食水分等，雖然也實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧倉(cāng)蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)，但其應(yīng)用單一，適應(yīng)性較差，無(wú)法適應(yīng)環(huán)境惡劣及復(fù)雜的場(chǎng)景，并且在環(huán)境惡劣時(shí)，其通信質(zhì)量也會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的問(wèn)題。

我們研發(fā)的基于電容法的傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)的害蟲(chóng)種類和數(shù)量，基于NB-IOT無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模組，具有低成本、廣覆蓋、低功耗、大連接、強(qiáng)穿透、高定位等特點(diǎn)^[2]。特別是能夠延長(zhǎng)電池壽命，基于干電池供電的低功耗NB-IOT能夠使電池壽命延長(zhǎng)10年之久，并且在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性很好。因此本文提出基于NB-IOT的糧倉(cāng)蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成了該方案的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

糧倉(cāng)蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)控制模塊分別與糧食蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器以及NB-IOT無(wú)線通信模塊連接，云數(shù)據(jù)中心分別與NB-IOT無(wú)線通信模塊及用戶終端連接，糧食蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)中糧食的蟲(chóng)害情況，并將蟲(chóng)害數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，控制模塊根據(jù)具體情況通過(guò)NB-IOT無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給云數(shù)據(jù)中心，用戶終端接收云數(shù)據(jù)中心傳送來(lái)的糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)糧倉(cāng)的蟲(chóng)害情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。可以根據(jù)用戶需求在用戶終端自行設(shè)計(jì)預(yù)警系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)蟲(chóng)害問(wèn)題實(shí)時(shí)高效的管理。本系統(tǒng)檢測(cè)傳感器裝置采用電容法檢測(cè)糧倉(cāng)害蟲(chóng)問(wèn)題，主要通過(guò)傳感器中電容值的改變范圍及改變次數(shù)來(lái)檢測(cè)蟲(chóng)害種類和數(shù)量，通過(guò)基于NB-IOT的傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至云端，集成獨(dú)有的eSMI卡，提高穩(wěn)定性，適用于糧倉(cāng)蟲(chóng)害各種自然環(huán)境監(jiān)測(cè)。低速率、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)也使得NB-IoT技術(shù)在未來(lái)發(fā)展中越來(lái)越好^[3]。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)蟲(chóng)害數(shù)據(jù)如圖2所示。

2? 糧食蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

糧食蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)主要采用電容法來(lái)檢測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)害蟲(chóng)的數(shù)量及種類，如圖3所示。實(shí)現(xiàn)的方法是：對(duì)電路所檢測(cè)電容值的變化次數(shù)和變化范圍進(jìn)行分析，通過(guò)檢測(cè)電容值的變化范圍確定糧食害蟲(chóng)的種類，檢測(cè)電容值的變化次數(shù)確定糧食害蟲(chóng)的數(shù)量，并依照協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。即糧食害蟲(chóng)在檢測(cè)電極間自由掉落的過(guò)程中，會(huì)引起檢測(cè)電極電容值的改變，不同種類的糧食害蟲(chóng)對(duì)應(yīng)不同的電容值變化范圍，以此來(lái)區(qū)分糧食害蟲(chóng)的種類;通過(guò)檢測(cè)電極電容值的改變次數(shù)，來(lái)統(tǒng)計(jì)糧食害蟲(chóng)的數(shù)量^[4]。

無(wú)線傳感器裝置包括害蟲(chóng)誘捕劑和進(jìn)蟲(chóng)孔，方便吸引害蟲(chóng)，達(dá)到檢測(cè)的目的;包括帶有錐頭的塑料圓管，便于插入各種環(huán)境的糧倉(cāng)內(nèi)部（根據(jù)圓錐原理），提高穩(wěn)定性。

無(wú)線傳感器裝置包括用于糧食害蟲(chóng)種類和數(shù)量檢測(cè)的兩個(gè)檢測(cè)電極、與兩個(gè)檢測(cè)電極相連接的電容檢測(cè)電路、與電容檢測(cè)電路相連接的無(wú)線傳感模塊。

以下是檢測(cè)電極、電容檢測(cè)電路、無(wú)線傳感模塊的作用：

（1）兩個(gè)檢測(cè)電極是固定于害蟲(chóng)掉落通道外兩個(gè)相互絕緣對(duì)等的金屬。

（2）電容檢測(cè)電路通過(guò)C1和C2導(dǎo)線分別與檢測(cè)電極的兩極相連、通過(guò)VCC、GND、INT、SDA、SCL導(dǎo)線分別與無(wú)線傳感模塊相連接，在極低功耗下連續(xù)不間斷地檢測(cè)電容值^[4]。

（3）無(wú)線傳感模塊由微控制器和無(wú)線射頻電路組成，采用干電池供電，同時(shí)為電容檢測(cè)電路供電，電路壽命可達(dá)10年以上。

3? 基于NB-IOT的無(wú)線通信模塊

3.1? 低功耗電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

硬件低功耗電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

（1）降低節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送頻率。

（2）優(yōu)化電源驅(qū)動(dòng)降低功耗。

降低節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送頻率通過(guò)加入數(shù)據(jù)的智能化處理，融入了eDRX（extended Discontinuous Reception）低功耗模式，降低節(jié)點(diǎn)信息的發(fā)送頻率，采用鋰電池供電，一次性鋰電池可供節(jié)點(diǎn)工作10年以上。

優(yōu)化電源驅(qū)動(dòng)，采用M5310模組電源驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。優(yōu)化電源驅(qū)動(dòng)PWR為M5310模組電源端，R1為電阻，C1為有極電容，Q1為P溝道MOS管，VBAT為電池電壓端，VCC_OUT為M5310模組電源輸出端，GND為接地。M5310模組電源驅(qū)動(dòng)電路包括P溝道MOS管，P溝道MOS管的柵極與M5310模組電源端PWR連接，源極與M5310模組電源輸出端連接，漏極與電池電壓端VBAT連接，柵極還通過(guò)電阻R1與源極連接，漏極還通過(guò)電容C1接地。通過(guò)M5310模組實(shí)現(xiàn)優(yōu)化電源驅(qū)動(dòng)功能。

3.2? 優(yōu)化接口穩(wěn)定性電路設(shè)計(jì)

電路具體實(shí)施方案如圖5所示，在本系統(tǒng)中采用獨(dú)立干電池供電的NB-IOT通訊方式并集成eSIM（Embedded-SIM）、eSIM卡（嵌入式SIM卡）。eSIM卡的概念是將傳統(tǒng)SIM卡直接嵌入到設(shè)備芯片上，而不是作為獨(dú)立的可移除零部件加入設(shè)備中，用戶無(wú)須插入物理SIM卡^[5]。嵌入芯片在抗震、耐高溫性能上更佳，具有穩(wěn)定性更強(qiáng)，防水性能更好等特點(diǎn)，適用于惡劣環(huán)境下的設(shè)備。eSIM卡也是將硬件設(shè)備的生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)分開(kāi)的，先是將硬件設(shè)備芯片生產(chǎn)完畢，用戶在使用設(shè)備時(shí)通過(guò)空中寫(xiě)卡的方式將運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)下載至硬件設(shè)備。也就是說(shuō)，我們可以對(duì)同一個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行寫(xiě)入和清除，同時(shí)還可以讓不同設(shè)備綁定相同的號(hào)碼，另外硬件設(shè)備可以下載安裝不同運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)，從而使設(shè)備可以交替使用不同運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)信號(hào)，極大地提高了其適應(yīng)性與應(yīng)用性。

eSIM接口電路圖如圖5所示，NB-IOT無(wú)線通信模塊包括eSIM接口電路，eSIM接口電路包括卡槽以及控制器芯片，卡槽的第一端口IO分別與控制器芯片的第一引腳1以及M5310模組中SIM卡的第一引腳連接，卡槽的第二端口CLK分別與控制器芯片的第六引腳6以及M5310模組中SIM卡的第二引腳連接，卡槽的第三端口RST分別與控制器芯片的第五引腳5以及M5310模組中SIM卡的第三引腳連接，卡槽的第四端口VCC分別與控制器芯片的第三引腳3以及M5310模組中SIM卡的第四引腳連接，卡槽的第四端口VCC還通過(guò)電容與控制器芯片的第二引腳2共同接地，卡槽的第五端口GND接地。

3.3? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1? 設(shè)計(jì)參數(shù)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的糧食蟲(chóng)害傳感器（專利號(hào)：ZL201110115813.1），準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，內(nèi)置高性能處理芯片，內(nèi)嵌高級(jí)濾波算法，可以對(duì)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)、超限報(bào)警以及趨勢(shì)預(yù)判等操作，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)采用獨(dú)立干電池供電的NB-IOT通訊方式并集成eSIM，適用于各種糧庫(kù)環(huán)境，內(nèi)置一次性電池，使用壽命大于10年，產(chǎn)品體積小便于安裝。其獨(dú)創(chuàng)之處體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）低功耗。降低節(jié)點(diǎn)的工作電流，睡眠狀態(tài)下電流消耗僅為幾個(gè)微安，工作電流不超過(guò)20 mA，功率小于100 mW，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）供電方式。自主設(shè)計(jì)的模塊電路加入了數(shù)據(jù)的智能化處理，融入了eDRX低功耗模式，降低節(jié)點(diǎn)信息的發(fā)送頻率，采用鋰電池供電，一次性鋰電池可供節(jié)點(diǎn)工作10年以上。

（3）智能計(jì)算。自主研發(fā)的傳感器可以在信號(hào)采集的第一時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷處理，分析蟲(chóng)害的種類后通過(guò)傳輸模塊發(fā)送至云端。

（4）檢測(cè)誤差。檢測(cè)數(shù)量誤差小于4%;檢測(cè)種類誤差小于4%。

（5）防雷擊。模塊采用無(wú)線連接，增加防雷熔斷機(jī)構(gòu)，防雷擊和電網(wǎng)沖擊，消除火災(zāi)隱患。

（6）低成本。整個(gè)模組的價(jià)格是目前市場(chǎng)均價(jià)的四分之一，大大降低了模組成本。

（7）應(yīng)用范圍廣。模組經(jīng)適當(dāng)修改可廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

3.3.2? 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 19001-ISO 9001《質(zhì)量管理和質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)》;GB/T17626.10-2017《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)阻尼震蕩磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)》。使用環(huán)境：溫度-40 ℃～60 ℃，濕度0 %RH～100 %RH，磷化氫濃度小于2 500 PPM。害蟲(chóng)的檢測(cè)數(shù)量范圍達(dá)到每種類0～60 000頭，能夠在惡劣環(huán)境下檢測(cè)，且檢測(cè)范圍大，誤差小。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)一款基于NB-IOT的糧倉(cāng)蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)傳感器的輸入模塊采集糧情中蟲(chóng)害信息，對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。再利用NB-IOT無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳至云端，進(jìn)而能夠隨時(shí)獲取糧倉(cāng)蟲(chóng)害信息。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，充分證明驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、低功耗性、可靠性和高效性。在實(shí)地的運(yùn)用過(guò)程中，用戶可以在客戶端快捷的查看糧倉(cāng)蟲(chóng)害變化的歷史數(shù)據(jù)，提高了環(huán)境惡劣情況下的適應(yīng)性，保證了通信質(zhì)量穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：謝剛（1998—），男，漢族，四川眉山人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);岐世峰（1964—），男，漢族，山西臨猗人，教授，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用;李欣悅（1998—），女，漢族，四川達(dá)州人，本科在讀，研究方向：軟件工程。

收稿日期：2021-04-12