一種糧倉環境監測及追蹤系統設計

安徽商貿職業技術學院信息與人工智能學院 孫握瑜

結合NB-IoT網絡通訊技術、傳感器技術、視頻監控技術和云計算技術等，給出了一種基于NB-IoT技術的糧倉環境監測及追蹤系統設計。系統采集了糧倉中各個區域的溫度、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據發送至系統平臺，倉管人員通過移動終端訪問平臺數據，實時掌握當前糧倉各區域的各項環境參數，并可以第一時間掌握異常數據所發生的糧倉廒間地址，經過系統工程開發實施，驗證了基于NB-IoT的糧倉環境監控及追蹤系統具有一定實用性。

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測，一旦出現氮氣濃度低于限定值進行及時報警某糧倉區域有問題。目前在遠程監控方面有基于4G移動通訊網絡實現了煙霧或紅外人體等傳感模塊與GPRS模塊硬件集成化，對傳感器數據進行統一編碼與發送，這種監控方案在檢測傳感器數量大的時候成本也很高；也有基于ZigBee技術通過終端節點、路由節點和協調器節點實現遠程監控，但當應用于糧倉環境監控上會存在網絡不穩定、傳輸干擾大等問題。針對以上情況，結合NB-IoT網絡的遠距離、低功耗、高性能、支持大規模組網特性，我們給出一種基于NB-IoT的糧倉環境監測及追蹤系統設計。

1 系統總體結構設計

本系統針對糧倉環境監測和追蹤需求進行設計。系統監測每個廒間的溫濕度和二氧化碳、氮氣、氧氣等氣體濃度數據，需要在每個廒間堆糧線上安裝氣體監測裝置，堆糧線以下設置若干溫濕度監測點。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據均通過NB-IoT通訊模組將數據上傳到系統平臺。每個NB-IoT通訊模組映射一個糧倉廒間地址，當傳感器采集數據有異常時，系統可根據此地址映射表追蹤到異常數據所產生的位置，并將該位置推送至監控終端。系統層次架構圖如圖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、數據庫和服務端的API接口程序。硬件控制層包括負責NB-IoT網絡通信的eNodeB、EPC核心網，以及負責監控設備接入所需的網絡交換機，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核心網進行連接。交換機下連接的是各路監控設備，系統監控模塊可以查看到每個廒間的監控設備采集的實時視頻數據和歷史視頻數據。

圖1 系統層次架構圖

2 系統數據采集終端硬件電路設計

系統的數據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據發送給中央控制器，中央控制器將采集到的數據通過NB-IoT通訊模組發送出去。

2.1 NB-IoT通訊模組電路設計

BC95模塊設有兩個串口：主串口和調試串口，其作為DCE（Data Communication Equipment），并按照傳統的DCE-DTE（Data Terminal Equipment）方式連接。主串口TXD引腳用于發送數據到DTE設備的RXD端，RXD引腳用于從DTE設備TXD端接收數據，RI引腳為振鈴提示（DCE有URC輸出或者短消息接收時會發送信號通知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電平轉換電路，電平轉換電路如圖3所示。

圖2 主串口連接示意圖

圖3 3.3V 電平轉換電路

2.2 控制器模塊驅動設計

系統終端上電后，首先MCU初始化、啟動LoRa模塊，然后檢測NB網絡信號等待加入網絡，如加入網絡成功，則讀取傳感器模塊數據。本采集終端系統設定每隔5s采集一次傳感器值，然后判斷是否收到主機的讀取指令，收到則將傳感器數據通過NB-IoT網絡發送至系統服務端。控制器模塊驅動程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制器模塊驅動程序流程圖

圖5 廒間數據監測界面

3 系統測試

為了檢驗本文給出的糧倉環境監測系統及數據采集終端硬件設計的有效性，將本系統的10個氮氣采集終端節點安裝在糧倉不同廒間，系統服務端部署在阿里云ECS.S6系列2核4GB服務器中，Windows Server2012R2數據中心版（64位）、Sqlserver2012R2的環境中。通過移動端APP可以查詢到10個廒間數據，廒間數據監測界面如圖5所示，其中東1庫區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，數據均為0。

結束語：本文基于NB-IoT技術，針對糧倉環境監測及異常追蹤問題，進行相應系統軟硬件設計，給出了系統數據采集終端的硬件、驅動程序設計，及系統服務端和移動端程序程序設計，實現了通過手機APP可以查詢到糧倉各個廒間實時環境數據。測試表明，檢測傳感器終端安裝簡單方便，穩定性好。下一步，系統需要進一步完善系統的數據安全性和系統遠程操控的穩定性，以避免系統中云端化環境數據和設備被第三方非法訪問利用。