一种窄带物联网智慧冷链物流系统设计与实现

陈馨洋，杨洁，周晨，杨梅，陈志鹏，李烨

南京工程学院 信息与通信工程学院，江苏 南京 211100

随着我国经济社会发展和人民群众的生活水平提高，冷链物流需求日益旺盛。正逢当下万物互联快步发展，智慧农业、智慧城市等理念照进现实，如何做到将物联网技术运用于冷链物流，做到将数据高效快捷地传输，是我们迫切需要解决的问题[1]。目前运用于冷链物流数据传输的手段有ZigBee、WiFi、蓝牙等[2]。但上述数据传输手段可同时检测的车辆少、成本较高、传输速度缓慢，且由于环境特殊，运输量大，不易于设备的维护和替换[3]，大大增加了冷链物流业的成本。而NB-IoT 工作于授权频谱下，具有广覆盖、低功耗、大链接[4]、低成本的优势，符合冷链物流运输环境复杂、运输车辆多、分布广这一特殊场景的需求。

整体系统采用NB-IoT 技术，上传采集的实时温湿度检测和位置显示至云平台，将数据精准反馈至用户终端，便于管理和对突发情况进行及时调整，为智能冷链物流提供了一个全新的解决方案。

1 系统架构

基于NB-IoT 的智慧冷链物流系统采用了以下3 种技术:传感器技术、物联网无线远程通信技术和云平台技术，使终端管理者可以远程监控冷链物流途中的温湿度数据，并采取相应措施。本系统由温湿度传感器模块、GPS 模块、NB-IoT 模块、透传云平台模块共同组成。温湿度模块采用工业级温湿度传感器SHT20，GPS 模块型号采用支持低功耗模式的L70-R。当多辆冷链物流车运输时，温湿度传感器采集车内货物环境的温湿度情况，GPS 传感器采集地理位置，并将这些数据通过串口发送到NB-IoT 模块，NB-IoT 模块借助附近通信基站，通过CoAP 协议将这些数据发送到透传云平台。这时，终端管理者可通过云平台来检测运输过程中的一系列情况。整体运行情况如图1 所示。

图1 系统总体设计示意

1.1 窄带物联网

NB-IoT 是当下5G 时代万物互联一个重要分支[5]。2015 年9 月，3GPP 在RAN 全 会达成一致，确立NB-IoT 为窄带蜂窝物联网的独一标准。NBIoT 在蜂窝网络的基础上构建，所需带宽仅180 kHz，部署成本低，使用License 频段，可采取带内、保护带或独立载波等部署方式，可以与已有的2G、3G、4G 基站上进行部署，其成本较低[6]。NB-IoT 专门定位“低频、小包、时延不敏感”的物联网业务，在同样的频段中，NB-IoT 覆盖面积高，其借助节电模式(power discontinous reception，PSM)和超长非连续接收(extended discontinous reception, eDRX)可达到10 a 以上的待机时间，其接入设备数量是当下无线设备的50～100 倍[7]。因此，NB-IoT 技术在很多情境下被广泛使用。

1.2 系统优点

和目前冷链物流行业现状相比，本设计具有如下优点:1)系统成本较低，采用广覆盖待机时间长的NB-IoT 进行无线通信，模块无需经常更换维修。另外模块本身成本较低，也降低了整个检测系统的成本[8]。2)系统融合性高，同时采集温度、湿度和地理位置信息，将这些信息和终端检视人员无缝连接，做到了冷链物流信息化、智慧化。3)系统可进行实时数据采集和数据发送，对于终端检视人员，可掌握实时数据，对于数据异常的车辆可以尽快调整，避免货物出现问题，对于冷链物流的发展有着重大的意义。

2 系统硬件设计

本系统包含以下硬件设备:SHT20 温湿度传感器模块、L70-R 定位模块、TFT 显示屏、BC95 通信模块。系统基于STM32L476RCT 芯片平台，是基于高性能ARM Cortex-M4 32 位RISC 的超低功耗微控制器（microcontroller unit，MCU）。本系统硬件连接如图2 所示。

图2 系统硬件结构

2.1 主控模块

主控MCU 为STM32L476RCT6，有充足的引脚应对复杂的串接情况；对于温度的检测，系统采用SHT20 模块，使用I2C 接口与MCU 通信；GPS 定位模块型号为L70-R，支持低功耗模式，GPS模块的串口与MCU 的UART2 串口连接，可与NB网络结合，实现数据高效率的检测。

2.2 NB-IoT 模块

本系统采用移远通信的BC95 模块，由NB101搭载，是一款高性能、低功耗的无线通信模块。和其他无线通信模块相比，尺寸紧凑、超低功耗、超高灵敏度、具有内嵌丰富的网络服务协议、支持电信网络通信标准等优点[9]。

3 系统软件设计

本系统包含以下软件部分:透传云平台服务器软件、数据监测和发送软件。云平台是第三方已有平台，无需再开发，数据监测和发送软件采用C 语言开发。软件系统功能图如图3 所示。

3.1 NB 模块组网

使用NB-IoT 模块进行通信前，需要使用AT 指令对该模块进行注册以及附着网络操作。具体流程如图4 所示。

3.1.1 网络附着部分

为保证其低功耗的优点，每一步网络附着指令都会有3 次尝试次数，当操作失败时，操作次数会减1，直到操作次数为0，则连接失败，需要进行重试。

3.1.2 自动入网部分

接下来，需要将BC95 模块接入到网络中。对于通信协议的种类，本系统选择了CoAP 协议[10]。CoAP 协议基于UDP 协议，较于HTTP，CoAP 为二进制格式，更加紧凑，适用于低功耗物联网场景。NBIoT 的3 种连接状态（IDLE、CONNECT、PSM）下都可通过CoAP 发送上行数据，通过各自的定时器控制网络连接。同时，CoAP 协议支持可靠传输[11]、数据重传和块传输，确保了数据的可靠性[12]。就本系统而言，采用CoAP 协议，更适用于NB-IoT 的低功耗特性。CoAP 协议具体消息传输方式如图5 所示[13]。

图3 系统软件工作流程

图 4 联网工作流程

图5 CoAP 协议传输方式

3.2 数据采集、接收和发送

本系统通过温湿度传感器SHT20 和GPS定位模块L70-R 采集数据，通过相应串口接收数据。

设备上电后，通过BC95 模块上传数据至云平台，根据此前AT 指令自动进行网络初始化，配置相关网络参数。如果传输过程中出现故障，也可以通过硬件按钮手动进行初始化操作。

4 系统测试

首次使用时，初始化BC95 模块，进行网络注册与网络附着操作。初始化成功后，模块接入基站网络，注册信息云平台上线。

随后编译传感器驱动代码，此处驱动程序通过TFT 显示检测结果，验证显示屏中传感器的采集数据无误。编译测试完成后，通过串口将数据传输至BC95 模块，数据通过BC95 模块，采用CoAP 协议上传到云平台。云平台接收到多次数据后，于终端汇总多次测量数据，进行比较，如图7、8所示。

图7 云平台显示温湿度数据

图8 云平台显示GPS 数据

5 结论

本文根据当下冷链物流行业面临的情况，设计了基于NB-IoT 的智慧冷链物流系统。将检测到的温湿度数据和地理位置信息，通过NB-IoT 技术进行数据传输，建立了实时温湿度和地理位置信息传输体系。通过仿真实验，得出如下结论:

1）NB-IoT 低功耗、海量连接场景、覆盖面广的特点，适用于工业化场景，大大降低了物流成本；所用主控芯片待机时间长、融合度高，同时采集温度、湿度和地理位置信息，真正做到冷链物流信息化、智慧化。

2）针对NB-IoT 传输数据安全性没有考虑周全，若盗取NB-IoT 终端，则可随意修改和伪造数据，对于运输带来重大损失。针对NB-IoT 安全性问题，在未来的研究中，可融合进相关密码技术和认证技术，使得本系统的使用更加安全可靠。