基于NB-IoT的糧庫智能門窗群監控系統設計與實現

黃雙成 趙揚 李志偉 劉世林 薛笑運

摘要：針對當前國內部分糧倉建設年代久遠，在老糧倉改造升級過程中存在布線困難、成本高和擴展性差的現狀，設計一種基于窄帶寬物聯網（NB-IoT）的智能門窗群遠程監控系統。該系統由若干個獨立糧倉門窗群組成，每個獨立糧倉的門窗群通過協調器并利用窄帶物聯網技術將各自的狀態信息傳送到服務器，服務器提供遠程監控服務。結果表明，該系統每個獨立糧倉門窗群工作正常，網絡通信穩定，遠程監控效果好，可以滿足工程需求。

關鍵詞：糧倉改造;門窗群;智能監控;NB-IoT;遠程監控

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

收稿日期：2019-05-09

基金項目：河南省教育廳教育科學研究項目（編號：GZS101）;河南省科學技術廳重大專項（編號：162107000055）。

作者簡介：黃雙成（1977—），男，河南南陽人，碩士，副教授，主要從事工業物聯網、智能檢測與智能控制等研究工作。E-mail：hsc424@163.com。

我國作為人口和農業大國，糧食是關系國計民生的重大問題[1]，然而，在全球每年的糧食損失中，儲藏階段的損失占10%～20%[2]。國家“十二五”和“十三五”規劃中反復強調要把保障糧食安全作為經濟建設中的重要任務來抓[3]。因此，針對糧食儲藏問題，國內外諸多學者做了大量研究，并將信息化、數字化技術廣泛應用到糧食儲藏中去[4-5]。但在建成的糧庫管理系統中，仍存在著諸多例如信息化程度低、工藝流程復雜、信息孤島嚴重等問題[6]，此外，舊糧庫信息化改造升級過程中存在的布線困難、成本高、擴展性和兼容性差的問題尤為突出。為有效地延緩糧食陳化、變質，保證糧食質量，增加糧食管理的信息化程度，本研究擬設計開發1種基于窄帶寬物聯網（narrow band internet of tings，簡稱NB-IoT）智能門窗群通監控系統。

1 NB-IoT技術簡介

窄帶寬物聯網是基于以全球移動通信系統核心網為基礎的第三代無線接口技術規范（the third generation partnership project，簡稱3GPP）的一種無線接入技術，可直接部署于全球移動通信系統中，支持低功耗設備在廣域網進行蜂窩數據連接[7-8]，具有覆蓋增強、超低功耗、時延不敏感[9]及支持大量低吞吐量用戶設備接入的特點[10]，廣泛應用于遠程抄表、智慧農業、智能停車等領域，是物聯網發展的主要趨勢[11-12]。

2 系統架構及原理

糧庫智能門窗群系統按照工作層次結構分為3層，分別是客戶端層、服務器層和終端節點層。系統結構見圖1。

客戶端層以數據庫為基礎，采用瀏覽器/服務器（B/S）模式的糧庫門窗管理軟件，提供實時門窗控制、故障報警、狀態顯示、數據統計、報表生成等功能，實現對糧庫門窗的管理工作。

服務器層是監聽服務器端口，一方面收集終端節點層發來的門窗狀態數據，收集并存儲在數據庫中;另一方面根據客戶端發出的控制命令，把指令信息發送到終端節點。終端節點層有糧庫單個門和窗終端、ZigBee（一種低速短距離傳輸的無線網上協議）網絡、協調器和通用無線分組業務（GPRS）網絡組成，功能是控制和檢測門和窗的狀態，接收并執行GPRS網絡發送的各種控制命令。

系統基本原理如下：終端每個門窗有傳感器和執行裝置，每個終端芯片對其自身狀態進行采集和處理后通過ZigBee網絡發送到協調器;由協調器傳送數據到GPRS模塊，GPRS模塊利用NB-IoT技術將數據通過無線網絡發送到服務器層，最終經服務器傳輸到客戶端層。此外客戶端層也可以根據實際需要發送指令， 讓指令通過服務器層、GPRS網絡

和協調器傳遞給ZigBee網絡，由ZigBee網絡發送到各個門窗終端，從而實現對終端每個門窗的智能控制。

3 系統硬件設計

糧庫智能門窗群系統中，終端每一個門窗節點不僅反饋門窗信息狀態給服務器，同時也接收服務器的開關控制指令，而且通過ZigBee網絡與協調器通信，因此將ZigBee終端作為設計重點。ZigBee終端主要由供電裝置、調試電路、門傳感器、窗傳感器和通信模塊等構成。

3.1 通信模塊選型

綜合考慮系統成本、技術實現難易程度、功耗等因素后，硬件選用美國德州儀器公司最新片上系統CC2530芯片作為ZigBee終端硬件的核心。CC2530集成了IEEE802.15.4標準2.4 GHz頻段的射頻（RF）無線電收發機[13]，射頻調制模式為直接序列展頻（DSSS），具有較高的無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 250 kB/s。CC2530集成1個增強型8051MCU內核，還有廣泛的外設集，只需少量外圍電路即可構建一個ZigBee節點。CC2530支持工作電壓范圍為2.0～3.6 V，工作溫度為-40～125 ℃，適合待機長且環境變化大的室外工作場所。

3.2 傳感控制模塊設計

ZigBee終端搭載門窗傳感器和繼電器，系統在線監控門和窗的狀態，通過繼電器控制電動開關裝置來實現門和窗的開關操作。終端主要包括電源模塊、無線發射模塊、ZigBee CC2530模塊、門窗磁傳感器模塊和調試模塊等組成，具體硬件結構見圖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、合的原理來采集門窗狀態，然后由CC2530通過ZigBee網絡向服務器上報門窗狀態。門窗的執行主要由繼電器實現，客戶端下達門窗開關指令后，指令通過網絡到達ZigBee CC2530模塊，然后通過繼電器實現門窗的開關操作。

3.3 電源模塊設計

主要考慮糧倉改造升級過程中存在的布線困難、成本高及糧庫規范化的客觀要求，本系統電源模塊采用太陽能采集系統[15]供電，其基本結構如圖3所示。

太陽能電池采集到太陽能，通過充電管理芯片CN3065對鋰電池進行充電。考慮到系統中傳感器模塊、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升壓或者降壓的變化才能夠正常供電。本系統直流電源/直流電源（DC/DC）轉換采用TI公司的2款電源管理芯片TPS63001DRC（3.3 V）和TPS63002DRC（5.0 V），為系統提供33、5.0 V等2種電壓，解決了布線困難的窘況，同時方便了用戶對無線節點的維護。

4 系統軟件設計

4.1 終端節點通信程序實現

終端節點主要是形成ZigBee節點網絡，功能是完成終端門窗信息采集和命令執行。其終端節點軟件流程見圖4。

4.2 終端節點主程序實現

主程序工作過程見圖5，終端節點通電后，主程序首先進行初始化操作，完成各個模塊的初始化;調用模擬數字轉換器（A/D）模塊采集太陽電池板電壓/電流、蓄電池電壓;調用各個門和窗傳感器采集信號，通過GPRS模塊，利用NB-IoT技術將數據通過無線網絡發送到服務器層后進入節能工作模式。

4.3 現場及遠程監控實現

本系統具有現場和遠程監控功能，由于目前現場和遠程監控技術相當成熟，大多采用B/S結構基于傳輸控制/因特網互聯協議（TC/IP）實現，具體組織結構見圖6。

5 系統測試與分析

整個系統以中央儲備糧商丘直屬庫13號倉為例進行實地測試，13號倉基本情況如下：倉房長 60 m，寬24 m，裝糧線高7 m，北側通風窗8個，軸流窗2個;南側通風窗7個，通風口5個，軸流窗2個。

試驗開始前，首先讓ZigBee協調器通過網關與4G網絡相連成功，試驗開始后，管理人員通過監控界面可以直觀地看到13倉各窗的狀態，通過遠程開關窗操作后，相關窗執行相應的動作，基本實現了糧倉門窗群的遠程監控。為驗證通信的可靠性，在

5 h的試驗過程中， 各試驗終端節點每3 min采集1組數據并發送，各終端節點共采集發送100條數據記錄，在遠程監控主機上接收到100條數據記錄，傳輸準確率達100%，完全滿足系統運行要求。實際運行畫面見圖7、圖8。

6 結論

糧庫智能門窗群監控系統利用NB-IoT技術，設計了糧倉智能門窗群的硬件和軟件系統;完成對糧倉門窗群狀態的采集、傳輸，同時進行監控，有效解決了糧倉門窗群的信息化管理，徹底解決了糧倉改造升級過程中存在的布線困難、成本高和擴展性差的情況。試驗結果表明，終端節點數據采集傳輸可靠，協調器與服務器通信正常，具有推廣的意義和價值。下一步將優化終端節點體積，提高可靠性和實用性，以實現整個糧庫更多參數的精確采集，并把該設計進一步應用和推廣整個老糧庫改造升級系統中。

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