基于NB-IoT的危化品倉儲環境監測系統設計與實現

王麗俐 毛雯雯 施炯

摘 要：針對物流企業倉儲中危化品環境監測存在的諸多弊端，以溫度、濕度、光強、煙霧、可燃性氣體和氣壓這六類環境特征參數為對象，運用計算機技術、傳感器技術、通信技術，通過傳感器特征參數的數據融合算法設計了一套低功耗危化品倉儲環境監測系統。將檢測到的倉庫內不同位置的環境數據通過窄帶物聯網（NB-IoT）模塊封裝為LWM2M協議數據發送到中國移動OneNET物聯網平臺，一方面可以在云端將數據進行實時展現;另一方面可以通過手機端的微信小程序查看數據，同時進行反饋控制。實驗結果表明，該危化品倉儲環境監測系統具有較高的精度和較低的誤報率，結合NB-IoT的低功耗、低帶寬、大連接特性，提高了危化品物流倉儲工作的效率，可有效避免意外發生和財產損失，對推進城市的智能化與城市形象的規范化具有重要意義。

關鍵詞：數據融合;環境監測;窄帶物聯網;OneNET平臺;微信小程序;智能化

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-05

0 引 言

隨著經濟全球化的快速發展，新型物流企業亦隨之迅速發展，為提高物流的運行質量，危化品物流公司已不再使用傳統的物流管理技術。危化品倉儲作為物流各環節的重點關注對象，其所處環境的參數監測對于及時發現危化品的安全隱患起到了關鍵作用。危險化學品的物理及化學性質與一般存儲物品不同，也正因為如此，危化品在整個物流過程中的各個環節均與普通貨物存在著極大差別。自天津港區危化品倉庫爆炸事件發生后，危化品的生產、經營、儲存、運輸、使用、處置各環節受到了國家各級政府部門的高度重視[1]。目前企業安全生產事故風險預警的研究剛剛起步，許多理論問題有待進一步澄清，許多技術問題有待解決[2]。危化品的突發狀況不僅會為經濟造成損失，更對自然環境造成了巨大污染。

因此，針對不同類別危化品的物理特性對其特征參量進行探測已成為目前危化品倉儲環境監測的主要研究方向。為了改善現有危化品倉儲環境監測誤測率高的問題，本系統以溫度、濕度、煙霧、可燃性氣體和氣壓作為危化品倉儲環境監測對象，利用數據融合算法進行監測設計。通過運營商的NB-IoT（窄帶物聯網）網絡，可以將本系統終端節點布設在倉庫的不同位置，無需搭建私有網絡，并通過OneNET平臺與微信小程序實時觀測終端周圍的環境是否出現異常。

1 系統總體結構設計

1.1 系統總體功能結構設計

本系統分為硬件終端、OneNET平臺、手機微信小程序三部分，其中硬件終端與OneNET平臺通過NB-IoT網絡通信，手機微信小程序通過HTTP協議獲取OneNET服務器的數據。系統結構如圖1所示。

1.2 系統總體技術架構

基于NB-IoT的危化品倉儲環境監測系統模型的建立、低功耗的優化策略、ZigBee組網的搭建和NB-IoT技術是本系統的核心，通過廣域網接入倉儲終端采集數據，利用現有OneNET平臺實時獲取采集的數據，在云平臺動態顯示數據并對其進行分析，可以得到物品溫度、濕度、光強和煙霧等信息，從而對意外狀況做出及時的應急處理或者對危化品進行調控。通過設計微信小程序，可以將微信作為入口，快速獲取危化品倉儲終端的信息，方便用戶了解貨物的實時動態。系統總體技術架構如圖2所示。

1.3 危化品倉儲物流環境監測系統業務流程

不同類型的危化品對于儲存環境的需求不同，表1所列為不同類別危化品存儲狀態參量。

危化品監測系統中的軟件設計是系統的核心，對所采集數據進行的一系列交換、保存以及顯示等操作均由該軟件系統處理。在危化品倉儲環境遠程監測系統中，最需要解決的是如何快速準確地獲取危化品所處環境的參數，從而對處于緊急情況下的危化品進行調度，得到危化品所處狀態信息，便于實時報警。危化品倉儲物流環境遠程監測需要結合無線傳感網絡、地理信息技術和現代計算機與通信技術，實現人、物的緊密聯系與統一配合，從而大幅提高危化品倉儲物流的效率。

危化品倉儲環境監測系統的設計流程。

（1）在倉庫中的不同位置安裝多個監測設備，包括溫度、濕度、光強、煙霧、可燃性氣體和氣壓傳感器，通過倉庫中危化品所需監測的物理狀況將其他傳感器節點休眠。

（2）待采集到倉庫內不同位置環境的數據后，通過窄帶物聯網模塊將獲取的數據發送到云端，一方面可以在云端將獲取的數據進行展現;另一方面，可以通過手機端的微信小程序實時查看數據，同時反饋至控制倉庫內的環境調控設備。

2 系統內部構成

2.1 基于ZigBee的數據節點采集系統的設計

ZigBee支持的網絡類型主要有三種，即星型網絡、樹型網絡和網狀網絡[1-3]。由于危化品儲存倉庫的體積有一定的限度，通常無需路由節點的布置，所以可選只包含終端節點與協調器節點的星形網絡。

終端節點：主要負責信息的采集工作，經單跳或者多跳的方式把消息上傳給協調器節點，在ZigBee網絡中可以有多個終端節點設備。

協調器節點：主要負責ZigBee網絡的建立和維護、網絡地址的分配和信息處理分析工作等，同時一個ZigBee網絡中通常只允許有一個協調器[3]。

在該危化品倉儲環境監測系統中，各傳感器與ZigBee協調器組成無線傳感器網絡，每個不同的傳感器對相應的數據進行采集，通過無線信道傳送給ZigBee協調器，然后ZigBee協調器匯總收集到的數據，通過網絡將所有數據匯集到網關。該設計中的無線傳感器網絡如圖4所示。

2.2 NB-IoT通信傳輸系統設計

在危化品倉儲終端節點處安裝該監測系統所需的傳感器，各傳感器收集采集到的數據，通過ZigBee組網將采集的數據傳送給網關，網關將獲取的數據傳輸至NB-IoT基站，之后NB-IoT基站將數據上傳到云端，由云端接收和保存，最后云端將接收的數據進行綜合處理分析，通過微信小程序顯示獲取數據。NB-IoT應用架構如圖5所示。

由于實現技術路線存在一定的差異，因此對該危化品倉儲環境監測系統而言，窄帶物聯網技術是實現該系統的最佳選擇。NB-IoT采用新的獨立的空口連接技術使整體的網絡技術更加健壯、成熟、穩定，更適合于現階段萬物互聯的網絡技術需求[4]。

3 系統硬件設計

3.1 網關節點設計

倉儲終端位于危化品存儲倉庫內的不同位置，主要負責數據采集和數據傳輸。同時，在倉庫內溫度、濕度、煙霧或光強等指標超過警戒值時將發出警報。危化品倉儲環境終端設計如圖6所示。

硬件終端使用STM32F103RET6主控芯片，添加的外圍傳感器包括光敏電阻、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃性氣體傳感器和氣壓傳感器，使得采集的內容較為全面，對倉儲內危化品所處的環境參數的判斷更加準確。當危化品倉儲環境與正常環境參數相比發生突變時，需要溫度、濕度、煙霧、光強、可燃性氣體以及氣壓傳感器同時判斷某一環境參數是否發生變化，并通過傳感器的位置信息對該區域的環境變化進行預防。STM32微處理器獲取外圍傳感器的數據后，將數據進行分析并判斷是否超過本地最高閾值（代表某處環境已經發生變化），如果超出，則下發控制命令給LED燈和蜂鳴器，拉響警報，同時將數據通過M5310模塊上傳到OneNET服務器;如果未超出，則通過M5310模塊發送信息給OneNET服務器進行實時監測。并且終端設備還可以接收OneNET服務器發送的數據獲取命令和控制命令。

NB-IoT是一種覆蓋率高，時延小的網絡，通過采用重傳和低階調制等機制增強了覆蓋率，同時NB-IoT支持低功耗選項，可以借助節電模式和超長非連續模式接收信息，實現更長時間待機。網關節點上電后會自動接入NB-IoT網絡，可以在MCU上直接使用AT指令向OneNET平臺發起注冊、上傳數據等請求。

該開發板集成了MCU與M5310芯片，使得開發更加方便，可直接通過發送AT指令完成數據的上傳。在該開發板上的相關傳感器均采用I2C連接方式，節約了單片機引腳，方便擴展外圍元件。本次開發所使用的開發板的外圍元件包括LED指示燈、蜂鳴器、溫濕度傳感器、光敏傳感器、MQ2煙霧傳感器、MQ5可燃性氣體傳感器、氣壓傳感器。網關節點如圖7所示。

3.2 云平臺應用

3.2.1 進入開發者中心并創建產品

注冊和創建OneNET賬號并且登錄后，OneNET平臺的主頁右上角變成開發者中心，點擊開發者中心就能進入用戶的開發者頁面。OneNET用戶主頁面如圖8所示。

3.2.2 綁定設備

在創建完產品后，用戶需綁定終端設備。回到開發者頁面，可以看到已有一個產品需要添加設備。點擊創建的產品名字，進入設備頁面，此處可以看到“添加設備”按鈕，點擊后彈出如圖10所示頁面。為終端設備設置命名，然后輸入M5310上的IMEI碼，再輸入物聯網卡上的IMSI碼，點擊“確定”即可添加終端設備。

3.2.3 創建應用

在OneNET平臺上可以很方便地創建一個應用，基于設備的數據流，用戶可以為設備下的數據流創建相關應用并在線發布，通過發布頁面對數據趨勢進行直觀展示。創建一個應用模板后，用戶便可在應用管理頁面找到已經創建的應用，點擊應用的名字就可以進入應用查看頁面，點擊“編輯”按鈕可以編輯該應用的內容，編輯應用頁面如圖11所示。可以在編輯區域添加應用，在編輯框的右邊編輯應用屬性，設置相關參數，包括與應用相關聯的設備、數據流、應用標題、數據刷新頻率、X/Y坐標點數目等，編輯完成后點擊右上角的“發布”按鈕便完成了應用的創建。

3.2.4 數據顯示

在終端設備完成資源注冊后，用戶可以獲取各傳感器數據，在左邊側欄里選擇設備管理就可以看到已注冊的設備，然后點擊資源列表，可看到終端上傳的各種傳感器數據和LED、蜂鳴器的狀態，如圖12所示。

4 系統軟件設計

4.1 網關程序設計

網關軟件開發選用Keil軟件，Keil工具界面簡潔友好，使用簡單。STM32處理器的工作流程包含主程序和中斷服務程序，如圖13所示。系統上電后，首先進行系統外設的初始化和M5310模塊的初始化，在M5310成功注冊網絡并連接到OneNET平臺后進行資源注冊，然后獲取外圍傳感器的數據并判斷傳感器數據是否超過閾值，如果超過就拉響警報并上傳數據;如果未超過則上傳傳感器數據到OneNET平臺。在系統運行過程中如果接收到OneNET平臺的命令則解析該命令;如果是控制命令則控制LED和蜂鳴器的狀態;如果是獲取數據命令則讀入傳感器數據并上傳。

4.2 微信小程序設計

將云平臺與微信小程序有效結合，用戶可以通過微信查看危化品所處環境的狀態，及時對意外狀況做出反應。微信小程序通過微信Web開發工具進行開發，借助微信平臺，只需要一次開發就能同時在各手機系統上使用，無需下載應用，只需掃描二維碼即可使用。

危化品倉儲環境監測系統微信端打開后的界面如圖14所示，最上面顯示的是系統終端所在倉庫內的區域，下面則分別是監測到該位置所處環境的溫度、濕度、光強、煙霧、可燃氣體濃度和氣壓，用戶可以通過對應模塊下的數字來實時觀察該區域環境的情況。最下面兩個按鈕分別表示打開預警和關閉警報，點擊后可以打開或關閉蜂鳴器以及警示燈，并且這兩個開關也是蜂鳴器和警示燈的狀態指示開關，可通過其狀態來檢測蜂鳴器和警示燈是否打開。

5 結 語

本論文研究設計了基于NB-IoT的危化品倉儲環境實時監測系統，旨在解決高價值、高危險度貨物在儲存中自身的狀態信息是否正常，對危化品狀態信息進行透明化處理等問題。目前部分危化品企業的緊急報警系統、危化品倉儲環境監測系統以及視頻監測系統各成一體，難以實現對危化品倉儲環境的聯網監測。且當前倉儲物流主要存在終端難維修和難維護，以及傳感器和危化品倉儲終端的接口適配問題，由于采用GPRS網絡回傳，功耗較高，故無法支持整個倉儲物流周期的監測。本文提出新的危化品倉儲物流環境監測系統可以有效解決上述問題，由ZigBee感知節點采集數據，通過NB-IoT回傳數據給云端，以減輕布線和組網的壓力，降低功耗，幫助用戶更好更快地獲取貨物信息，從而對意外狀況進行及時處理，提高危險化學品的安全監管信息化水平。

參 考 文 獻

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