一種窄帶物聯網智慧冷鏈物流系統設計與實現

陳馨洋，楊潔，周晨，楊梅，陳志鵬，李燁

南京工程學院 信息與通信工程學院，江蘇 南京 211100

隨著我國經濟社會發展和人民群眾的生活水平提高，冷鏈物流需求日益旺盛。正逢當下萬物互聯快步發展，智慧農業、智慧城市等理念照進現實，如何做到將物聯網技術運用于冷鏈物流，做到將數據高效快捷地傳輸，是我們迫切需要解決的問題[1]。目前運用于冷鏈物流數據傳輸的手段有ZigBee、WiFi、藍牙等[2]。但上述數據傳輸手段可同時檢測的車輛少、成本較高、傳輸速度緩慢，且由于環境特殊，運輸量大，不易于設備的維護和替換[3]，大大增加了冷鏈物流業的成本。而NB-IoT 工作于授權頻譜下，具有廣覆蓋、低功耗、大鏈接[4]、低成本的優勢，符合冷鏈物流運輸環境復雜、運輸車輛多、分布廣這一特殊場景的需求。

整體系統采用NB-IoT 技術，上傳采集的實時溫濕度檢測和位置顯示至云平臺，將數據精準反饋至用戶終端，便于管理和對突發情況進行及時調整，為智能冷鏈物流提供了一個全新的解決方案。

1 系統架構

基于NB-IoT 的智慧冷鏈物流系統采用了以下3 種技術:傳感器技術、物聯網無線遠程通信技術和云平臺技術，使終端管理者可以遠程監控冷鏈物流途中的溫濕度數據，并采取相應措施。本系統由溫濕度傳感器模塊、GPS 模塊、NB-IoT 模塊、透傳云平臺模塊共同組成。溫濕度模塊采用工業級溫濕度傳感器SHT20，GPS 模塊型號采用支持低功耗模式的L70-R。當多輛冷鏈物流車運輸時，溫濕度傳感器采集車內貨物環境的溫濕度情況，GPS 傳感器采集地理位置，并將這些數據通過串口發送到NB-IoT 模塊，NB-IoT 模塊借助附近通信基站，通過CoAP 協議將這些數據發送到透傳云平臺。這時，終端管理者可通過云平臺來檢測運輸過程中的一系列情況。整體運行情況如圖1 所示。

圖1 系統總體設計示意

1.1 窄帶物聯網

NB-IoT 是當下5G 時代萬物互聯一個重要分支[5]。2015 年9 月，3GPP 在RAN 全 會達成一致，確立NB-IoT 為窄帶蜂窩物聯網的獨一標準。NBIoT 在蜂窩網絡的基礎上構建，所需帶寬僅180 kHz，部署成本低，使用License 頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等部署方式，可以與已有的2G、3G、4G 基站上進行部署，其成本較低[6]。NB-IoT 專門定位“低頻、小包、時延不敏感”的物聯網業務，在同樣的頻段中，NB-IoT 覆蓋面積高，其借助節電模式(power discontinous reception，PSM)和超長非連續接收(extended discontinous reception, eDRX)可達到10 a 以上的待機時間，其接入設備數量是當下無線設備的50～100 倍[7]。因此，NB-IoT 技術在很多情境下被廣泛使用。

1.2 系統優點

和目前冷鏈物流行業現狀相比，本設計具有如下優點:1)系統成本較低，采用廣覆蓋待機時間長的NB-IoT 進行無線通信，模塊無需經常更換維修。另外模塊本身成本較低，也降低了整個檢測系統的成本[8]。2)系統融合性高，同時采集溫度、濕度和地理位置信息，將這些信息和終端檢視人員無縫連接，做到了冷鏈物流信息化、智慧化。3)系統可進行實時數據采集和數據發送，對于終端檢視人員，可掌握實時數據，對于數據異常的車輛可以盡快調整，避免貨物出現問題，對于冷鏈物流的發展有著重大的意義。

2 系統硬件設計

本系統包含以下硬件設備:SHT20 溫濕度傳感器模塊、L70-R 定位模塊、TFT 顯示屏、BC95 通信模塊。系統基于STM32L476RCT 芯片平臺，是基于高性能ARM Cortex-M4 32 位RISC 的超低功耗微控制器（microcontroller unit，MCU）。本系統硬件連接如圖2 所示。

圖2 系統硬件結構

2.1 主控模塊

主控MCU 為STM32L476RCT6，有充足的引腳應對復雜的串接情況；對于溫度的檢測，系統采用SHT20 模塊，使用I2C 接口與MCU 通信；GPS 定位模塊型號為L70-R，支持低功耗模式，GPS模塊的串口與MCU 的UART2 串口連接，可與NB網絡結合，實現數據高效率的檢測。

2.2 NB-IoT 模塊

本系統采用移遠通信的BC95 模塊，由NB101搭載，是一款高性能、低功耗的無線通信模塊。和其他無線通信模塊相比，尺寸緊湊、超低功耗、超高靈敏度、具有內嵌豐富的網絡服務協議、支持電信網絡通信標準等優點[9]。

3 系統軟件設計

本系統包含以下軟件部分:透傳云平臺服務器軟件、數據監測和發送軟件。云平臺是第三方已有平臺，無需再開發，數據監測和發送軟件采用C 語言開發。軟件系統功能圖如圖3 所示。

3.1 NB 模塊組網

使用NB-IoT 模塊進行通信前，需要使用AT 指令對該模塊進行注冊以及附著網絡操作。具體流程如圖4 所示。

3.1.1 網絡附著部分

為保證其低功耗的優點，每一步網絡附著指令都會有3 次嘗試次數，當操作失敗時，操作次數會減1，直到操作次數為0，則連接失敗，需要進行重試。

3.1.2 自動入網部分

接下來，需要將BC95 模塊接入到網絡中。對于通信協議的種類，本系統選擇了CoAP 協議[10]。CoAP 協議基于UDP 協議，較于HTTP，CoAP 為二進制格式，更加緊湊，適用于低功耗物聯網場景。NBIoT 的3 種連接狀態（IDLE、CONNECT、PSM）下都可通過CoAP 發送上行數據，通過各自的定時器控制網絡連接。同時，CoAP 協議支持可靠傳輸[11]、數據重傳和塊傳輸，確保了數據的可靠性[12]。就本系統而言，采用CoAP 協議，更適用于NB-IoT 的低功耗特性。CoAP 協議具體消息傳輸方式如圖5 所示[13]。

圖3 系統軟件工作流程

圖 4 聯網工作流程

圖5 CoAP 協議傳輸方式

3.2 數據采集、接收和發送

本系統通過溫濕度傳感器SHT20 和GPS定位模塊L70-R 采集數據，通過相應串口接收數據。

設備上電后，通過BC95 模塊上傳數據至云平臺，根據此前AT 指令自動進行網絡初始化，配置相關網絡參數。如果傳輸過程中出現故障，也可以通過硬件按鈕手動進行初始化操作。

4 系統測試

首次使用時，初始化BC95 模塊，進行網絡注冊與網絡附著操作。初始化成功后，模塊接入基站網絡，注冊信息云平臺上線。

隨后編譯傳感器驅動代碼，此處驅動程序通過TFT 顯示檢測結果，驗證顯示屏中傳感器的采集數據無誤。編譯測試完成后，通過串口將數據傳輸至BC95 模塊，數據通過BC95 模塊，采用CoAP 協議上傳到云平臺。云平臺接收到多次數據后，于終端匯總多次測量數據，進行比較，如圖7、8所示。

圖7 云平臺顯示溫濕度數據

圖8 云平臺顯示GPS 數據

5 結論

本文根據當下冷鏈物流行業面臨的情況，設計了基于NB-IoT 的智慧冷鏈物流系統。將檢測到的溫濕度數據和地理位置信息，通過NB-IoT 技術進行數據傳輸，建立了實時溫濕度和地理位置信息傳輸體系。通過仿真實驗，得出如下結論:

1）NB-IoT 低功耗、海量連接場景、覆蓋面廣的特點，適用于工業化場景，大大降低了物流成本；所用主控芯片待機時間長、融合度高，同時采集溫度、濕度和地理位置信息，真正做到冷鏈物流信息化、智慧化。

2）針對NB-IoT 傳輸數據安全性沒有考慮周全，若盜取NB-IoT 終端，則可隨意修改和偽造數據，對于運輸帶來重大損失。針對NB-IoT 安全性問題，在未來的研究中，可融合進相關密碼技術和認證技術，使得本系統的使用更加安全可靠。