基于NB-IOT的糧倉蟲害監測系統設計

謝剛 岐世峰 李欣悅

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.008

摘? 要：現階段糧倉蟲害監測方式單一，存在效率低、穩定性差等問題。憑借NB-IOT低功耗、低成本等特點，設計一款基于NB-IOT的糧倉蟲害監測系統，該系統通過NB-IOT無線通信模塊進行傳輸，采用電容法檢測糧倉蟲害數量及種類。經過實地測試和反饋，驗證了該系統具有低功耗、高可靠性和靈活性強等特點，可實現對糧倉蟲害問題的實時監控，能夠很好地滿足應用需求。

關鍵詞：NB-IOT;電容法;蟲害監測傳感器;監測系統

中圖分類號：TM93? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

糧食問題作為一個關系國計民生的大問題在我國歷來深受重視，糧食不僅是國家之根本，也具有重大的戰略意義。隨著國際社會矛盾的日益加深，以美國為首的西方國家正在極力打壓中國，糧食存儲安全業已成為我們最有效最根本的保障，針對我國糧食儲藏數量大的特點，不斷發展糧食儲藏及監測技術，以確保國家糧食安全，是一項長期而艱巨的任務^[1]。而糧倉糧食在日常保管中經常發生蟲害，有效檢測糧堆各處的蟲害發生情況是保障糧食存儲安全的重要一環。首先確定糧食害蟲的種類及數量等，然后再采取相應的治理措施，亦可為熏蒸階段采用的施藥濃度、施藥時間以及施藥方式提供數據支持，保證糧食的存儲安全?，F有對糧倉的監測，如CN101441805A公開的“一種傳感器網絡糧情監測系統”，在糧倉內設置多個監測節點。通常都是采集糧倉內的溫度、濕度、糧食水分等，雖然也實現了對糧倉蟲害的監測，但其應用單一，適應性較差，無法適應環境惡劣及復雜的場景，并且在環境惡劣時，其通信質量也會出現不穩定的問題。

我們研發的基于電容法的傳感器能夠同時檢測糧倉內的害蟲種類和數量，基于NB-IOT無線數據傳輸模組，具有低成本、廣覆蓋、低功耗、大連接、強穿透、高定位等特點^[2]。特別是能夠延長電池壽命，基于干電池供電的低功耗NB-IOT能夠使電池壽命延長10年之久，并且在惡劣環境下的適應性很好。因此本文提出基于NB-IOT的糧倉蟲害監測系統設計方案，并完成了該方案的實現和實驗驗證。

1? 系統總體方案設計

糧倉蟲害監測系統的一種實施例的結構框圖如圖1所示，系統控制模塊分別與糧食蟲害監測傳感器以及NB-IOT無線通信模塊連接，云數據中心分別與NB-IOT無線通信模塊及用戶終端連接，糧食蟲害監測傳感器實時監測糧倉中糧食的蟲害情況，并將蟲害數據發送給控制模塊，控制模塊根據具體情況通過NB-IOT無線通信模塊將數據發送給云數據中心，用戶終端接收云數據中心傳送來的糧倉監測數據并對糧倉的蟲害情況進行監測?？梢愿鶕脩粜枨笤谟脩艚K端自行設計預警系統，以實現對糧倉蟲害問題實時高效的管理。本系統檢測傳感器裝置采用電容法檢測糧倉害蟲問題，主要通過傳感器中電容值的改變范圍及改變次數來檢測蟲害種類和數量，通過基于NB-IOT的傳輸協議將數據上傳至云端，集成獨有的eSMI卡，提高穩定性，適用于糧倉蟲害各種自然環境監測。低速率、低功耗、低成本的優點也使得NB-IoT技術在未來發展中越來越好^[3]。系統監測糧倉蟲害數據如圖2所示。

2? 糧食蟲害監測傳感器設計

糧食蟲害監測傳感器的設計主要采用電容法來檢測糧倉內害蟲的數量及種類，如圖3所示。實現的方法是：對電路所檢測電容值的變化次數和變化范圍進行分析，通過檢測電容值的變化范圍確定糧食害蟲的種類，檢測電容值的變化次數確定糧食害蟲的數量，并依照協議實現數據的無線傳輸。即糧食害蟲在檢測電極間自由掉落的過程中，會引起檢測電極電容值的改變，不同種類的糧食害蟲對應不同的電容值變化范圍，以此來區分糧食害蟲的種類;通過檢測電極電容值的改變次數，來統計糧食害蟲的數量^[4]。

無線傳感器裝置包括害蟲誘捕劑和進蟲孔，方便吸引害蟲，達到檢測的目的;包括帶有錐頭的塑料圓管，便于插入各種環境的糧倉內部（根據圓錐原理），提高穩定性。

無線傳感器裝置包括用于糧食害蟲種類和數量檢測的兩個檢測電極、與兩個檢測電極相連接的電容檢測電路、與電容檢測電路相連接的無線傳感模塊。

以下是檢測電極、電容檢測電路、無線傳感模塊的作用：

（1）兩個檢測電極是固定于害蟲掉落通道外兩個相互絕緣對等的金屬。

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

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

3? 基于NB-IOT的無線通信模塊

3.1? 低功耗電源驅動電路設計

硬件低功耗電源驅動電路的設計內容包括：

（1）降低節點信息發送頻率。

（2）優化電源驅動降低功耗。

降低節點信息發送頻率通過加入數據的智能化處理，融入了eDRX（extended Discontinuous Reception）低功耗模式，降低節點信息的發送頻率，采用鋰電池供電，一次性鋰電池可供節點工作10年以上。

優化電源驅動，采用M5310模組電源驅動電路，如圖4所示。優化電源驅動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模組電源驅動電路包括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，柵極還通過電阻R1與源極連接，漏極還通過電容C1接地。通過M5310模組實現優化電源驅動功能。

3.2? 優化接口穩定性電路設計

電路具體實施方案如圖5所示，在本系統中采用獨立干電池供電的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SIM卡直接嵌入到設備芯片上，而不是作為獨立的可移除零部件加入設備中，用戶無須插入物理SIM卡^[5]。嵌入芯片在抗震、耐高溫性能上更佳，具有穩定性更強，防水性能更好等特點，適用于惡劣環境下的設備。eSIM卡也是將硬件設備的生產與運營商數據分開的，先是將硬件設備芯片生產完畢，用戶在使用設備時通過空中寫卡的方式將運營商數據下載至硬件設備。也就是說，我們可以對同一個硬件設備進行寫入和清除，同時還可以讓不同設備綁定相同的號碼，另外硬件設備可以下載安裝不同運營商的數據，從而使設備可以交替使用不同運營商的數據信號，極大地提高了其適應性與應用性。

eSIM接口電路圖如圖5所示，NB-IOT無線通信模塊包括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? 系統設計標準

3.3.1? 設計參數

本系統設計參數如表1所示，系統設計采用擁有完全自主知識產權的糧食蟲害傳感器（專利號：ZL201110115813.1），準確度高，響應速度快，內置高性能處理芯片，內嵌高級濾波算法，可以對實時采集到的數據進行數據比對、超限報警以及趨勢預判等操作，系統內部設計采用獨立干電池供電的NB-IOT通訊方式并集成eSIM，適用于各種糧庫環境，內置一次性電池，使用壽命大于10年，產品體積小便于安裝。其獨創之處體現在以下幾個方面：

（1）低功耗。降低節點的工作電流，睡眠狀態下電流消耗僅為幾個微安，工作電流不超過20 mA，功率小于100 mW，遠低于國家標準。

（2）供電方式。自主設計的模塊電路加入了數據的智能化處理，融入了eDRX低功耗模式，降低節點信息的發送頻率，采用鋰電池供電，一次性鋰電池可供節點工作10年以上。

（3）智能計算。自主研發的傳感器可以在信號采集的第一時間對信號進行判斷處理，分析蟲害的種類后通過傳輸模塊發送至云端。

（4）檢測誤差。檢測數量誤差小于4%;檢測種類誤差小于4%。

（5）防雷擊。模塊采用無線連接，增加防雷熔斷機構，防雷擊和電網沖擊，消除火災隱患。

（6）低成本。整個模組的價格是目前市場均價的四分之一，大大降低了模組成本。

（7）應用范圍廣。模組經適當修改可廣泛應用于其他領域的物聯網無線數據傳輸。

3.3.2? 執行標準

系統執行標準采用GB/T 19001-ISO 9001《質量管理和質量保證標準》;GB/T17626.10-2017《電磁兼容試驗和測量技術阻尼震蕩磁場抗擾度試驗》。使用環境：溫度-40 ℃～60 ℃，濕度0 %RH～100 %RH，磷化氫濃度小于2 500 PPM。害蟲的檢測數量范圍達到每種類0～60 000頭，能夠在惡劣環境下檢測，且檢測范圍大，誤差小。

4? 結? 論

本文設計一款基于NB-IOT的糧倉蟲害監測系統，利用蟲害監測傳感器的輸入模塊采集糧情中蟲害信息，對糧倉進行實時監測。再利用NB-IOT無線通信模塊將數據傳至云端，進而能夠隨時獲取糧倉蟲害信息。本系統經過大量實驗測試，充分證明驗證了該系統的實時性、低功耗性、可靠性和高效性。在實地的運用過程中，用戶可以在客戶端快捷的查看糧倉蟲害變化的歷史數據，提高了環境惡劣情況下的適應性，保證了通信質量穩定性。

參考文獻：

[1] 羅廣彬.淺談糧食企業倉儲管理現狀及科學保糧發展 [J].現代食品，2019（16）：5-7.

[2] 陳劍興.基于NB-IOT下的糧倉溫濕度檢測 [J].中國新通信，2020，22（18）：127-128.

[3] 孫潔，許清河，劉曉悅.基于NB-IoT技術的遠程糧情監控系統設計 [J].自動化與儀表，2020，35（4）：86-89+93.

[4] 岐世峰，李艷華，無線糧情監測管理系統的設計與實現 [J].四川大學學報（自然科學版），2012，49（1）：75-79.

[5] 陳豐偉.雙卡手機，中國創新對全球終端發展的貢獻 [J].互聯網天地，2018（10）：32-37.

作者簡介：謝剛（1998—），男，漢族，四川眉山人，本科在讀，研究方向：物聯網技術;岐世峰（1964—），男，漢族，山西臨猗人，教授，本科，研究方向：物聯網技術及應用;李欣悅（1998—），女，漢族，四川達州人，本科在讀，研究方向：軟件工程。

收稿日期：2021-04-12