基于NB-IoT的危化品仓储环境监测系统设计与实现

王丽俐 毛雯雯 施炯

摘 要：针对物流企业仓储中危化品环境监测存在的诸多弊端，以温度、湿度、光强、烟雾、可燃性气体和气压这六类环境特征参数为对象，运用计算机技术、传感器技术、通信技术，通过传感器特征参数的数据融合算法设计了一套低功耗危化品仓储环境监测系统。将检测到的仓库内不同位置的环境数据通过窄带物联网（NB-IoT）模块封装为LWM2M协议数据发送到中国移动OneNET物联网平台，一方面可以在云端将数据进行实时展现;另一方面可以通过手机端的微信小程序查看数据，同时进行反馈控制。实验结果表明，该危化品仓储环境监测系统具有较高的精度和较低的误报率，结合NB-IoT的低功耗、低带宽、大连接特性，提高了危化品物流仓储工作的效率，可有效避免意外发生和财产损失，对推进城市的智能化与城市形象的规范化具有重要意义。

关键词：数据融合;环境监测;窄带物联网;OneNET平台;微信小程序;智能化

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）07-00-05

0 引 言

随着经济全球化的快速发展，新型物流企业亦随之迅速发展，为提高物流的运行质量，危化品物流公司已不再使用传统的物流管理技术。危化品仓储作为物流各环节的重点关注对象，其所处环境的参数监测对于及时发现危化品的安全隐患起到了关键作用。危险化学品的物理及化学性质与一般存储物品不同，也正因为如此，危化品在整个物流过程中的各个环节均与普通货物存在着极大差别。自天津港区危化品仓库爆炸事件发生后，危化品的生产、经营、储存、运输、使用、处置各环节受到了国家各级政府部门的高度重视[1]。目前企业安全生产事故风险预警的研究刚刚起步，许多理论问题有待进一步澄清，许多技术问题有待解决[2]。危化品的突发状况不仅会为经济造成损失，更对自然环境造成了巨大污染。

因此，针对不同类别危化品的物理特性对其特征参量进行探测已成为目前危化品仓储环境监测的主要研究方向。为了改善现有危化品仓储环境监测误测率高的问题，本系统以温度、湿度、烟雾、可燃性气体和气压作为危化品仓储环境监测对象，利用数据融合算法进行监测设计。通过运营商的NB-IoT（窄带物联网）网络，可以将本系统终端节点布设在仓库的不同位置，无需搭建私有网络，并通过OneNET平台与微信小程序实时观测终端周围的环境是否出现异常。

1 系统总体结构设计

1.1 系统总体功能结构设计

本系统分为硬件终端、OneNET平台、手机微信小程序三部分，其中硬件终端与OneNET平台通过NB-IoT网络通信，手机微信小程序通过HTTP协议获取OneNET服务器的数据。系统结构如图1所示。

1.2 系统总体技术架构

基于NB-IoT的危化品仓储环境监测系统模型的建立、低功耗的优化策略、ZigBee组网的搭建和NB-IoT技术是本系统的核心，通过广域网接入仓储终端采集数据，利用现有OneNET平台实时获取采集的数据，在云平台动态显示数据并对其进行分析，可以得到物品温度、湿度、光强和烟雾等信息，从而对意外状况做出及时的应急处理或者对危化品进行调控。通过设计微信小程序，可以将微信作为入口，快速获取危化品仓储终端的信息，方便用户了解货物的实时动态。系统总体技术架构如图2所示。

1.3 危化品仓储物流环境监测系统业务流程

不同类型的危化品对于储存环境的需求不同，表1所列为不同类别危化品存储状态参量。

危化品监测系统中的软件设计是系统的核心，对所采集数据进行的一系列交换、保存以及显示等操作均由该软件系统处理。在危化品仓储环境远程监测系统中，最需要解决的是如何快速准确地获取危化品所处环境的参数，从而对处于紧急情况下的危化品进行调度，得到危化品所处状态信息，便于实时报警。危化品仓储物流环境远程监测需要结合无线传感网络、地理信息技术和现代计算机与通信技术，实现人、物的紧密联系与统一配合，从而大幅提高危化品仓储物流的效率。

危化品仓储环境监测系统的设计流程。

（1）在仓库中的不同位置安装多个监测设备，包括温度、湿度、光强、烟雾、可燃性气体和气压传感器，通过仓库中危化品所需监测的物理状况将其他传感器节点休眠。

（2）待采集到仓库内不同位置环境的数据后，通过窄带物联网模块将获取的数据发送到云端，一方面可以在云端将获取的数据进行展现;另一方面，可以通过手机端的微信小程序实时查看数据，同时反馈至控制仓库内的环境调控设备。

2 系统内部构成

2.1 基于ZigBee的数据节点采集系统的设计

ZigBee支持的网络类型主要有三种，即星型网络、树型网络和网状网络[1-3]。由于危化品储存仓库的体积有一定的限度，通常无需路由节点的布置，所以可选只包含终端节点与协调器节点的星形网络。

終端节点：主要负责信息的采集工作，经单跳或者多跳的方式把消息上传给协调器节点，在ZigBee网络中可以有多个终端节点设备。

协调器节点：主要负责ZigBee网络的建立和维护、网络地址的分配和信息处理分析工作等，同时一个ZigBee网络中通常只允许有一个协调器[3]。

在该危化品仓储环境监测系统中，各传感器与ZigBee协调器组成无线传感器网络，每个不同的传感器对相应的数据进行采集，通过无线信道传送给ZigBee协调器，然后ZigBee协调器汇总收集到的数据，通过网络将所有数据汇集到网关。该设计中的无线传感器网络如图4所示。

2.2 NB-IoT通信传输系统设计

在危化品仓储终端节点处安装该监测系统所需的传感器，各传感器收集采集到的数据，通过ZigBee组网将采集的数据传送给网关，网关将获取的数据传输至NB-IoT基站，之后NB-IoT基站将数据上传到云端，由云端接收和保存，最后云端将接收的数据进行综合处理分析，通过微信小程序显示获取数据。NB-IoT应用架构如图5所示。

由于实现技术路线存在一定的差异，因此对该危化品仓储环境监测系统而言，窄带物联网技术是实现该系统的最佳选择。NB-IoT采用新的独立的空口连接技术使整体的网络技术更加健壮、成熟、稳定，更适合于现阶段万物互联的网络技术需求[4]。

3 系统硬件设计

3.1 网关节点设计

仓储终端位于危化品存储仓库内的不同位置，主要负责数据采集和数据传输。同时，在仓库内温度、湿度、烟雾或光强等指标超过警戒值时将发出警报。危化品仓储环境终端设计如图6所示。

硬件终端使用STM32F103RET6主控芯片，添加的外围传感器包括光敏电阻、温湿度传感器、烟雾传感器、可燃性气体传感器和气压传感器，使得采集的内容较为全面，对仓储内危化品所处的环境参数的判断更加准确。当危化品仓储环境与正常环境参数相比发生突变时，需要温度、湿度、烟雾、光强、可燃性气体以及气压传感器同时判断某一环境参数是否发生变化，并通过传感器的位置信息对该区域的环境变化进行预防。STM32微处理器获取外围传感器的数据后，将数据进行分析并判断是否超过本地最高阈值（代表某处环境已经发生变化），如果超出，则下发控制命令给LED灯和蜂鸣器，拉响警报，同时将数据通过M5310模块上传到OneNET服务器;如果未超出，则通过M5310模块发送信息给OneNET服务器进行实时监测。并且终端设备还可以接收OneNET服务器发送的数据获取命令和控制命令。

NB-IoT是一种覆盖率高，时延小的网络，通过采用重传和低阶调制等机制增强了覆盖率，同时NB-IoT支持低功耗选项，可以借助节电模式和超长非连续模式接收信息，实现更长时间待机。网关节点上电后会自动接入NB-IoT网络，可以在MCU上直接使用AT指令向OneNET平台发起注册、上传数据等请求。

该开发板集成了MCU与M5310芯片，使得开发更加方便，可直接通过发送AT指令完成数据的上传。在该开发板上的相关传感器均采用I2C连接方式，节约了单片机引脚，方便扩展外围元件。本次开发所使用的开发板的外围元件包括LED指示灯、蜂鸣器、温湿度传感器、光敏传感器、MQ2烟雾传感器、MQ5可燃性气体传感器、气压传感器。网关节点如图7所示。

3.2 云平台应用

3.2.1 进入开发者中心并创建产品

注册和创建OneNET账号并且登录后，OneNET平台的主页右上角变成开发者中心，点击开发者中心就能进入用户的开发者页面。OneNET用户主页面如图8所示。

3.2.2 绑定设备

在创建完产品后，用户需绑定终端设备。回到开发者页面，可以看到已有一个产品需要添加设备。点击创建的产品名字，进入设备页面，此处可以看到“添加设备”按钮，点击后弹出如图10所示页面。为终端设备设置命名，然后输入M5310上的IMEI码，再输入物联网卡上的IMSI码，点击“确定”即可添加终端设备。

3.2.3 创建应用

在OneNET平台上可以很方便地创建一个应用，基于设备的数据流，用户可以为设备下的数据流创建相关应用并在线发布，通过发布页面对数据趋势进行直观展示。创建一个应用模板后，用户便可在应用管理页面找到已经创建的应用，点击应用的名字就可以进入应用查看页面，点击“编辑”按钮可以编辑该应用的内容，编辑应用页面如图11所示。可以在编辑区域添加应用，在编辑框的右边编辑应用属性，设置相关参数，包括与应用相关联的设备、数据流、应用标题、数据刷新频率、X/Y坐标点数目等，编辑完成后点击右上角的“发布”按钮便完成了应用的创建。

3.2.4 数据显示

在终端设备完成资源注册后，用户可以获取各传感器数据，在左边侧栏里选择设备管理就可以看到已注册的设备，然后点击资源列表，可看到终端上传的各种传感器数据和LED、蜂鸣器的状态，如图12所示。

4 系统软件设计

4.1 网关程序设计

网关软件开发选用Keil软件，Keil工具界面简洁友好，使用简单。STM32处理器的工作流程包含主程序和中断服务程序，如图13所示。系统上电后，首先进行系统外设的初始化和M5310模块的初始化，在M5310成功注册网络并连接到OneNET平台后进行资源注册，然后获取外围传感器的数据并判断传感器数据是否超过阈值，如果超过就拉响警报并上传数据;如果未超过则上传传感器数据到OneNET平台。在系统运行过程中如果接收到OneNET平台的命令则解析该命令;如果是控制命令则控制LED和蜂鸣器的状态;如果是获取数据命令则读入传感器数据并上传。

4.2 微信小程序设计

将云平台与微信小程序有效结合，用户可以通过微信查看危化品所处环境的状态，及时对意外状况做出反应。微信小程序通过微信Web开发工具进行开发，借助微信平台，只需要一次开发就能同时在各手机系统上使用，无需下载应用，只需扫描二维码即可使用。

危化品仓储环境监测系统微信端打开后的界面如图14所示，最上面显示的是系统终端所在仓库内的区域，下面则分别是监测到该位置所处环境的温度、湿度、光强、烟雾、可燃气体浓度和气压，用户可以通过对应模块下的数字来实时观察该区域环境的情况。最下面两个按钮分别表示打开预警和关闭警报，点击后可以打开或关闭蜂鸣器以及警示灯，并且这两个开关也是蜂鸣器和警示灯的状态指示开关，可通过其状态来检测蜂鸣器和警示灯是否打开。

5 结 语

本论文研究设计了基于NB-IoT的危化品仓储环境实时监测系统，旨在解决高价值、高危险度货物在储存中自身的状态信息是否正常，对危化品状态信息进行透明化处理等问题。目前部分危化品企业的紧急报警系统、危化品仓储环境监测系统以及视频监测系统各成一体，难以实现对危化品仓储环境的联网监测。且当前仓储物流主要存在终端难维修和难维护，以及传感器和危化品仓储终端的接口适配问题，由于采用GPRS网络回传，功耗较高，故无法支持整个仓储物流周期的监测。本文提出新的危化品仓储物流环境监测系统可以有效解决上述问题，由ZigBee感知节点采集数据，通过NB-IoT回传数据给云端，以减轻布线和組网的压力，降低功耗，帮助用户更好更快地获取货物信息，从而对意外状况进行及时处理，提高危险化学品的安全监管信息化水平。

参 考 文 献

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