基于NB-IoT的粮库智能门窗群监控系统设计与实现

黄双成 赵扬 李志伟 刘世林 薛笑运

摘要：针对当前国内部分粮仓建设年代久远，在老粮仓改造升级过程中存在布线困难、成本高和扩展性差的现状，设计一种基于窄带宽物联网（NB-IoT）的智能门窗群远程监控系统。该系统由若干个独立粮仓门窗群组成，每个独立粮仓的门窗群通过协调器并利用窄带物联网技术将各自的状态信息传送到服务器，服务器提供远程监控服务。结果表明，该系统每个独立粮仓门窗群工作正常，网络通信稳定，远程监控效果好，可以满足工程需求。

关键词：粮仓改造;门窗群;智能监控;NB-IoT;远程监控

中图分类号： TP277.2  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）10-0245-05

收稿日期：2019-05-09

基金项目：河南省教育厅教育科学研究项目（编号：GZS101）;河南省科学技术厅重大专项（编号：162107000055）。

作者简介：黄双成（1977—），男，河南南阳人，硕士，副教授，主要从事工业物联网、智能检测与智能控制等研究工作。E-mail：hsc424@163.com。

我国作为人口和农业大国，粮食是关系国计民生的重大问题[1]，然而，在全球每年的粮食损失中，储藏阶段的损失占10%～20%[2]。国家“十二五”和“十三五”规划中反复强调要把保障粮食安全作为经济建设中的重要任务来抓[3]。因此，针对粮食储藏问题，国内外诸多学者做了大量研究，并将信息化、数字化技术广泛应用到粮食储藏中去[4-5]。但在建成的粮库管理系统中，仍存在着诸多例如信息化程度低、工艺流程复杂、信息孤岛严重等问题[6]，此外，旧粮库信息化改造升级过程中存在的布线困难、成本高、扩展性和兼容性差的问题尤为突出。为有效地延缓粮食陈化、变质，保证粮食质量，增加粮食管理的信息化程度，本研究拟设计开发1种基于窄带宽物联网（narrow band internet of tings，简称NB-IoT）智能门窗群通监控系统。

1 NB-IoT技术简介

窄带宽物联网是基于以全球移动通信系统核心网为基础的第三代无线接口技术规范（the third generation partnership project，简称3GPP）的一种无线接入技术，可直接部署于全球移动通信系统中，支持低功耗设备在广域网进行蜂窝数据连接[7-8]，具有覆盖增强、超低功耗、时延不敏感[9]及支持大量低吞吐量用户设备接入的特点[10]，广泛应用于远程抄表、智慧农业、智能停车等領域，是物联网发展的主要趋势[11-12]。

2 系统架构及原理

粮库智能门窗群系统按照工作层次结构分为3层，分别是客户端层、服务器层和终端节点层。系统结构见图1。

客户端层以数据库为基础，采用浏览器/服务器（B/S）模式的粮库门窗管理软件，提供实时门窗控制、故障报警、状态显示、数据统计、报表生成等功能，实现对粮库门窗的管理工作。

服务器层是监听服务器端口，一方面收集终端节点层发来的门窗状态数据，收集并存储在数据库中;另一方面根据客户端发出的控制命令，把指令信息发送到终端节点。终端节点层有粮库单个门和窗终端、ZigBee（一种低速短距离传输的无线网上协议）网络、协调器和通用无线分组业务（GPRS）网络组成，功能是控制和检测门和窗的状态，接收并执行GPRS网络发送的各种控制命令。

系统基本原理如下：终端每个门窗有传感器和执行装置，每个终端芯片对其自身状态进行采集和处理后通过ZigBee网络发送到协调器;由协调器传送数据到GPRS模块，GPRS模块利用NB-IoT技术将数据通过无线网络发送到服务器层，最终经服务器传输到客户端层。此外客户端层也可以根据实际需要发送指令， 让指令通过服务器层、GPRS网络

和协调器传递给ZigBee网络，由ZigBee网络发送到各个门窗终端，从而实现对终端每个门窗的智能控制。

3 系统硬件设计

粮库智能门窗群系统中，终端每一个门窗节点不仅反馈门窗信息状态给服务器，同时也接收服务器的开关控制指令，而且通过ZigBee网络与协调器通信，因此将ZigBee终端作为设计重点。ZigBee终端主要由供电装置、调试电路、门传感器、窗传感器和通信模块等构成。

3.1 通信模块选型

综合考虑系统成本、技术实现难易程度、功耗等因素后，硬件选用美国德州仪器公司最新片上系统CC2530芯片作为ZigBee终端硬件的核心。CC2530集成了IEEE802.15.4标准2.4 GHz频段的射频（RF）无线电收发机[13]，射频调制模式为直接序列展频（DSSS），具有较高的无线接收灵敏度和抗干扰性，传输距离大于75 m，传输速率最高达 250 kB/s。CC2530集成1个增强型8051MCU内核，还有广泛的外设集，只需少量外围电路即可构建一个ZigBee节点。CC2530支持工作电压范围为2.0～3.6 V，工作温度为-40～125 ℃，适合待机长且环境变化大的室外工作场所。

3.2 传感控制模块设计

ZigBee终端搭载门窗传感器和继电器，系统在线监控门和窗的状态，通过继电器控制电动开关装置来实现门和窗的开关操作。终端主要包括电源模块、无线发射模块、ZigBee CC2530模块、门窗磁传感器模块和调试模块等组成，具体硬件结构见图2。

门窗磁传感器模块[14]的主要元件是干簧管和磁铁，利用磁铁控制干簧管开、合的原理来采集门窗状态，然后由CC2530通过ZigBee网络向服务器上报门窗状态。门窗的执行主要由继电器实现，客户端下达门窗开关指令后，指令通过网络到达ZigBee CC2530模块，然后通过继电器实现门窗的开关操作。

3.3 电源模块设计

主要考虑粮仓改造升级过程中存在的布线困难、成本高及粮库规范化的客观要求，本系统电源模块采用太阳能采集系统[15]供电，其基本结构如图3所示。

太阳能电池采集到太阳能，通过充电管理芯片CN3065对锂电池进行充电。考虑到系统中传感器模块、处理器模块和通信模块的工作电压不相同，因此锂电池需要通过升压或者降压的变化才能够正常供电。本系统直流电源/直流电源（DC/DC）转换采用TI公司的2款电源管理芯片TPS63001DRC（3.3 V）和TPS63002DRC（5.0 V），为系统提供33、5.0 V等2种电压，解决了布线困难的窘况，同时方便了用户对无线节点的维护。

4 系统软件设计

4.1 终端节点通信程序实现

终端节点主要是形成ZigBee节点网络，功能是完成终端门窗信息采集和命令执行。其终端节点软件流程见图4。

4.2 终端节点主程序实现

主程序工作过程见图5，终端节点通电后，主程序首先进行初始化操作，完成各个模块的初始化;调用模拟数字转换器（A/D）模块采集太阳电池板电压/电流、蓄电池电压;调用各个门和窗传感器采集信号，通过GPRS模块，利用NB-IoT技术将数据通过无线网络发送到服务器层后进入节能工作模式。

4.3 现场及远程监控实现

本系统具有现场和远程监控功能，由于目前现场和远程监控技术相当成熟，大多采用B/S结构基于传输控制/因特网互联协议（TC/IP）实现，具体组织结构见图6。

5 系统测试与分析

整个系统以中央储备粮商丘直属库13号仓为例进行实地测试，13号仓基本情况如下：仓房长 60 m，宽24 m，装粮线高7 m，北侧通风窗8个，轴流窗2个;南侧通风窗7个，通风口5个，轴流窗2个。

试验开始前，首先让ZigBee协调器通过网关与4G网络相连成功，试验开始后，管理人员通过监控界面可以直观地看到13仓各窗的状态，通过远程开关窗操作后，相关窗执行相应的动作，基本实现了粮仓门窗群的远程监控。为验证通信的可靠性，在

5 h的试验过程中， 各试验终端节点每3 min采集1组数据并发送，各终端节点共采集发送100条数据记录，在远程监控主机上接收到100条数据记录，传输准确率达100%，完全满足系统运行要求。实际运行画面见图7、图8。

6 结论

粮库智能门窗群监控系统利用NB-IoT技术，设计了粮仓智能门窗群的硬件和软件系统;完成对粮仓门窗群状态的采集、传输，同时进行监控，有效解决了粮仓门窗群的信息化管理，彻底解决了粮仓改造升级过程中存在的布线困难、成本高和扩展性差的情况。试验结果表明，终端节点数据采集传输可靠，协调器与服务器通信正常，具有推广的意义和价值。下一步将优化终端节点体积，提高可靠性和实用性，以实现整个粮库更多参数的精确采集，并把该设计进一步应用和推广整个老粮库改造升级系统中。

參考文献：

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