基于NB-IoT技術(shù)的智能冷庫系統(tǒng)及應(yīng)用

程 萍

(巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000)

1 智能冷庫

當(dāng)前，隨著物流行業(yè)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)對冷鏈運輸和智能倉儲的需求越來越大。其中，對冷庫的要求除了傳統(tǒng)的溫度、濕度、通風(fēng)調(diào)節(jié)，自動殺菌、消毒外，基于無線通信的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新興智能冷庫還新增了諸多功能，例如遠(yuǎn)程管理、自動監(jiān)測、移動倉儲、貨物智能自助候補、自動配貨等，備受醫(yī)療行業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他相關(guān)領(lǐng)域的青睞。

2 NB-IoT技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)是物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，其基于廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)而構(gòu)建，也被稱為低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)[1]。它是基于無線通信和人工智能技術(shù)衍生的一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本低等諸多優(yōu)點。NB-IoT設(shè)備連接速率很快，能支持對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。設(shè)備功耗很低，待機時間很長。

2.1 覆蓋廣

NB-IoT是基于廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)而構(gòu)建的，而蜂窩網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋范圍達(dá)到了百分之五十，近90%的人口都能接收到蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號，其稱得上是一張覆蓋最為完整的巨大網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication，GSM)相比，一個基站可以提供多達(dá)10倍的面積覆蓋[2]。其覆蓋范圍之廣，可見一斑。

2.2 連接多

在NB-IoT技術(shù)支持下，單個小區(qū)能支持10萬連接，200 KHz的帶寬可以提供10萬個連接，假設(shè)全球有500萬左右物理站點，全部部署NB-IoT，每個站3個扇區(qū)、每個扇區(qū)部署200 KHz、每小時每個傳感器發(fā)送100個字節(jié)，那么全球站點能夠連接的傳感器數(shù)量高達(dá)4 500億[2]。擁有海量連接的優(yōu)勢，可見NB-IoT技術(shù)的移動通信網(wǎng)絡(luò)功能之非常強大。

2.3 功耗低

第三代合作伙伴項目(the 3rd Generation Partnership Project，3GPP)標(biāo)準(zhǔn)在制定低功耗、廣域網(wǎng)技術(shù)的低功耗性能指標(biāo)時，已經(jīng)定義了工作10年的條件，也就是說當(dāng)電池容量為5 Wh時，NB-IoT設(shè)備使用AA電池，其使用壽命可以達(dá)到10年。NB-IoT設(shè)備的電池容量大，電池利用率高，基本為100%，基本不存在老化或能量轉(zhuǎn)換的損耗[2]。

2.4 成本低

NB-IoT技術(shù)連接設(shè)備維護成本低，不需要充電。這一點非常適用于戶外物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備的布局。經(jīng)濟成本是新型技術(shù)投入市場應(yīng)用必須考慮的基本問題，在這方面，NB-IoT技術(shù)非常優(yōu)秀，其常規(guī)的單個通信模塊成本一般不超過5美元。

基于以上優(yōu)點，不論是從技術(shù)上，還是成本上，將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于當(dāng)前智能冷庫系統(tǒng)設(shè)計都是相當(dāng)科學(xué)和理性的決策。

3 基于NB-IoT技術(shù)的智能冷庫系統(tǒng)

智能冷庫系統(tǒng)包含諸多模塊，其中最核心的部分是管理系統(tǒng)，NB-IoT終端在智能管理系統(tǒng)中應(yīng)用較多，其次是數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

3.1 NB-IoT終端管理系統(tǒng)

基于NB-IoT的智能冷庫系統(tǒng)的核心是NB-IoT終端管理系統(tǒng)，這一系統(tǒng)集成了NB-IoT無線通信模組，能夠?qū)崟r連接網(wǎng)絡(luò)通信平臺，反饋冷庫的基本信息，例如冷庫內(nèi)的溫度、濕度，結(jié)合RFID技術(shù)能及時錄入物品信息和數(shù)量，并依據(jù)連接的通信前端指令，提供進出倉、補貨、告警服務(wù)。NB-IoT設(shè)備的強大通信覆蓋能力和超長待機電池支持在偏遠(yuǎn)地區(qū)的冷庫維護和構(gòu)建，也支持移動冷庫的信息調(diào)用和更新。

3.2 數(shù)據(jù)中心服務(wù)系統(tǒng)

新型智能冷庫系統(tǒng)還設(shè)有數(shù)據(jù)中心服務(wù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)系統(tǒng)包括監(jiān)控中心和通信平臺兩個部分。監(jiān)控中心的硬件接口包括監(jiān)控主機、人機互動接口、關(guān)聯(lián)外設(shè)以及無線通信信號接口，軟件包括冷庫系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件，結(jié)合群控、組控，能對差異化的監(jiān)控終端開展控制，這些軟件集成了一個監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對各個遠(yuǎn)端監(jiān)控點具有輪詢或聯(lián)動詢問功能，能夠同時完成數(shù)據(jù)輸入/輸出、數(shù)據(jù)檢測、信息控制、信息采集、信息反饋、緊急預(yù)警等多個任務(wù)。此外，這一監(jiān)控系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)匯總報表打印、人機互動界面、自動排查終端、安全性控制等諸多功能[3]。以某款智慧冷鏈車應(yīng)用NB-IoT為例，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 NB-IoT智慧冷鏈車系統(tǒng)架構(gòu)

4 基于NB-IoT的智能冷庫系統(tǒng)應(yīng)用

由于NB-IoT強大的通信覆蓋能力和低功耗設(shè)備超長的待機功能，智能冷庫系統(tǒng)的功能較傳統(tǒng)冷庫系統(tǒng)更為豐富，基于此技術(shù)的智能冷庫系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。目前應(yīng)用較為廣泛的幾個領(lǐng)域有：醫(yī)療行業(yè)醫(yī)藥冷藏；無人商店自動補貨；農(nóng)業(yè)種子培育和農(nóng)產(chǎn)品冷藏保鮮；漁港碼頭海鮮肉類冷凍；冷鏈運輸；生物研究。

4.1 醫(yī)療行業(yè)醫(yī)藥冷藏

醫(yī)療行業(yè)對智能冷庫的需求主要體現(xiàn)在醫(yī)療用品和藥品的存儲上，例如醫(yī)用冷藏箱、醫(yī)用冷藏庫等。各類疫苗、藥品、血液血漿的存放，都離不開冷庫。除了傳統(tǒng)的冷藏冷凍功能，新型智能冷庫還可以根據(jù)電腦前端指令自動出貨，精準(zhǔn)匹配藥品名稱和藥品數(shù)量，減少了人為取藥的差錯率和破損風(fēng)險，同時也極大地提高了醫(yī)院藥房的工作效率。

4.2 無人商店自動補貨

無人商店近年來發(fā)展較快，在一些大城市中，一些企業(yè)由于人力成本過高，引入了無人商店模式。超市除了收銀結(jié)算外，補貨、出貨也是一項非常重要且煩瑣的工作。特別是一些需要冷藏冷凍且保質(zhì)期較短的商品，如沒有專人及時檢查，容易出現(xiàn)過期變質(zhì)情況。智能冷庫系統(tǒng)能根據(jù)對應(yīng)貨架物品表面信息的掃描和輸入生產(chǎn)日期、保質(zhì)日期的功能，自動測算是否臨期，是否需要處理，及時對相應(yīng)物品發(fā)出過期提醒、清理庫存和補貨的提示，同時具有殺菌消毒的功能，能最大限度提升商品的衛(wèi)生質(zhì)量，減少商品損失。這樣極大地提高了商店管理效率，節(jié)省了大量人力。

4.3 種子培育和農(nóng)產(chǎn)品冷藏保鮮

冷庫在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用早已有先例，不過傳統(tǒng)的功能多限于農(nóng)產(chǎn)品的冷藏保鮮。近年來，利用智能冷庫系統(tǒng)儲藏和培育特定的種子和幼苗功能備受青睞。智能冷庫系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程設(shè)定溫度、濕度乃至光照等各項參數(shù)(見圖2)，同時提供檢測和告警功能，避免人為頻繁開關(guān)冷庫，減少培育對象參數(shù)誤差，更有利于精準(zhǔn)把握種子培育時間。農(nóng)產(chǎn)品的冷藏保鮮功能基于NB-IOT也有了補充，能及時對冷庫內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的各項參數(shù)進行檢測，在人機交互界面直觀展示農(nóng)產(chǎn)品的各項指標(biāo)，保證農(nóng)產(chǎn)品的口感和風(fēng)味，為相關(guān)人員的農(nóng)產(chǎn)品管理決策提供數(shù)據(jù)支持[4]。

圖2 NB-IoT智慧溫濕度控制系統(tǒng)

4.4 漁港碼頭海鮮肉類冷凍

海鮮產(chǎn)品因為產(chǎn)品自身蛋白質(zhì)含量高，在高溫天氣下極易腐壞。漁港碼頭多會將捕撈上來的海鮮產(chǎn)品及時入庫。傳統(tǒng)方式是將海鮮產(chǎn)品暴露在常溫環(huán)境下再運輸至有電源的冷庫中，中途需要較長時間且容易落入細(xì)菌和灰塵，并且臨時設(shè)定冷庫功能非常匆忙，容易發(fā)生差錯，導(dǎo)致溫度設(shè)定不合理或者在冷庫中帶入了細(xì)菌等影響海鮮產(chǎn)品的質(zhì)量。基于NB-IoT技術(shù)的智能冷庫系統(tǒng)可以提供定制功能，且由于功耗較低，可制作移動冷庫，并支持遠(yuǎn)程設(shè)定，在到達(dá)漁港碼頭前各項參數(shù)已遠(yuǎn)程設(shè)定，只需要將海鮮產(chǎn)品直接入庫，這樣一來，能極大地保證海鮮產(chǎn)品的風(fēng)味和質(zhì)量，減少損失。肉類冷凍也是一樣的道理。由于一般的冷庫規(guī)模都較龐大，很多肉類入庫后很有可能因為工作人員大意而被長久置于冷庫，導(dǎo)致肉類組織發(fā)生變質(zhì)，影響肉類的口感和外觀，從而無法正常售賣。智能冷庫系統(tǒng)能實時監(jiān)測冷庫內(nèi)物品參數(shù)，及時發(fā)出告警，最大限度地減少過期冷凍肉的存在。

4.5 冷鏈運輸

當(dāng)前，隨著我國物流和電商的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)購物成為消費者的重要購物渠道。智能冷庫系統(tǒng)在冷鏈運輸中扮演著重要角色。例如鮮花、農(nóng)產(chǎn)品、海鮮等生鮮商品必須通過冷鏈運輸。冷鏈車中的小型冷庫也可以應(yīng)用NB-IoT技術(shù)，消費者可以根據(jù)錄入的信息實時跟蹤商品軌跡，保證到手的商品質(zhì)量。同時，不便取貨的用戶還可以委托物流工作人員將其放入生鮮柜，生鮮柜極大地方便了人們購物存儲的需求，對電商的發(fā)展提供了助力。

4.6 生物研究

隨著生物科技的發(fā)展，我國越來越多的生物實驗室配備了智能冷庫。智能冷庫系統(tǒng)具有能效比高、制冷能力強、制冷量大、噪聲低等特點，為生物培育提供了良好的觀測環(huán)境。