基于NB-IOT的粮仓虫害监测系统设计

谢刚 岐世峰 李欣悦

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.008

摘  要：现阶段粮仓虫害监测方式单一，存在效率低、稳定性差等问题。凭借NB-IOT低功耗、低成本等特点，设计一款基于NB-IOT的粮仓虫害监测系统，该系统通过NB-IOT无线通信模块进行传输，采用电容法检测粮仓虫害数量及种类。经过实地测试和反馈，验证了该系统具有低功耗、高可靠性和灵活性强等特点，可实现对粮仓虫害问题的实时监控，能够很好地满足应用需求。

关键词：NB-IOT;电容法;虫害监测传感器;监测系统

中图分类号：TM93       文献标识码：A 文章编号：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

粮食问题作为一个关系国计民生的大问题在我国历来深受重视，粮食不仅是国家之根本，也具有重大的战略意义。随着国际社会矛盾的日益加深，以美国为首的西方国家正在极力打压中国，粮食存储安全业已成为我们最有效最根本的保障，针对我国粮食储藏数量大的特点，不断发展粮食储藏及监测技术，以确保国家粮食安全，是一项长期而艰巨的任务^[1]。而粮仓粮食在日常保管中经常发生虫害，有效检测粮堆各处的虫害发生情况是保障粮食存储安全的重要一环。首先确定粮食害虫的种类及数量等，然后再采取相应的治理措施，亦可为熏蒸阶段采用的施药浓度、施药时间以及施药方式提供数据支持，保证粮食的存储安全。现有对粮仓的监测，如CN101441805A公开的“一种传感器网络粮情监测系统”，在粮仓内设置多个监测节点。通常都是采集粮仓内的温度、湿度、粮食水分等，雖然也实现了对粮仓虫害的监测，但其应用单一，适应性较差，无法适应环境恶劣及复杂的场景，并且在环境恶劣时，其通信质量也会出现不稳定的问题。

我们研发的基于电容法的传感器能够同时检测粮仓内的害虫种类和数量，基于NB-IOT无线数据传输模组，具有低成本、广覆盖、低功耗、大连接、强穿透、高定位等特点^[2]。特别是能够延长电池寿命，基于干电池供电的低功耗NB-IOT能够使电池寿命延长10年之久，并且在恶劣环境下的适应性很好。因此本文提出基于NB-IOT的粮仓虫害监测系统设计方案，并完成了该方案的实现和实验验证。

1  系统总体方案设计

粮仓虫害监测系统的一种实施例的结构框图如图1所示，系统控制模块分别与粮食虫害监测传感器以及NB-IOT无线通信模块连接，云数据中心分别与NB-IOT无线通信模块及用户终端连接，粮食虫害监测传感器实时监测粮仓中粮食的虫害情况，并将虫害数据发送给控制模块，控制模块根据具体情况通过NB-IOT无线通信模块将数据发送给云数据中心，用户终端接收云数据中心传送来的粮仓监测数据并对粮仓的虫害情况进行监测。可以根据用户需求在用户终端自行设计预警系统，以实现对粮仓虫害问题实时高效的管理。本系统检测传感器装置采用电容法检测粮仓害虫问题，主要通过传感器中电容值的改变范围及改变次数来检测虫害种类和数量，通过基于NB-IOT的传输协议将数据上传至云端，集成独有的eSMI卡，提高稳定性，适用于粮仓虫害各种自然环境监测。低速率、低功耗、低成本的优点也使得NB-IoT技术在未来发展中越来越好^[3]。系统监测粮仓虫害数据如图2所示。

2  粮食虫害监测传感器设计

粮食虫害监测传感器的设计主要采用电容法来检测粮仓内害虫的数量及种类，如图3所示。实现的方法是：对电路所检测电容值的变化次数和变化范围进行分析，通过检测电容值的变化范围确定粮食害虫的种类，检测电容值的变化次数确定粮食害虫的数量，并依照协议实现数据的无线传输。即粮食害虫在检测电极间自由掉落的过程中，会引起检测电极电容值的改变，不同种类的粮食害虫对应不同的电容值变化范围，以此来区分粮食害虫的种类;通过检测电极电容值的改变次数，来统计粮食害虫的数量^[4]。

无线传感器装置包括害虫诱捕剂和进虫孔，方便吸引害虫，达到检测的目的;包括带有锥头的塑料圆管，便于插入各种环境的粮仓内部（根据圆锥原理），提高稳定性。

无线传感器装置包括用于粮食害虫种类和数量检测的两个检测电极、与两个检测电极相连接的电容检测电路、与电容检测電路相连接的无线传感模块。

以下是检测电极、电容检测电路、无线传感模块的作用：

（1）两个检测电极是固定于害虫掉落通道外两个相互绝缘对等的金属。

（2）电容检测电路通过C1和C2导线分别与检测电极的两极相连、通过VCC、GND、INT、SDA、SCL导线分别与无线传感模块相连接，在极低功耗下连续不间断地检测电容值^[4]。

（3）无线传感模块由微控制器和无线射频电路组成，采用干电池供电，同时为电容检测电路供电，电路寿命可达10年以上。

3  基于NB-IOT的无线通信模块

3.1  低功耗电源驱动电路设计

硬件低功耗电源驱动电路的设计内容包括：

（1）降低节点信息发送频率。

（2）优化电源驱动降低功耗。

降低节点信息发送频率通过加入数据的智能化处理，融入了eDRX（extended Discontinuous Reception）低功耗模式，降低节点信息的发送频率，采用锂电池供电，一次性锂电池可供节点工作10年以上。

优化电源驱动，采用M5310模组电源驱动电路，如图4所示。优化电源驱动PWR为M5310模组电源端，R1为电阻，C1为有极电容，Q1为P沟道MOS管，VBAT为电池电压端，VCC_OUT为M5310模组电源输出端，GND为接地。M5310模组电源驱动电路包括P沟道MOS管，P沟道MOS管的栅极与M5310模组电源端PWR连接，源极与M5310模组电源输出端连接，漏极与电池电压端VBAT连接，栅极还通过电阻R1与源极连接，漏极还通过电容C1接地。通过M5310模组实现优化电源驱动功能。

3.2  优化接口稳定性电路设计

电路具体实施方案如图5所示，在本系统中采用独立干电池供电的NB-IOT通讯方式并集成eSIM（Embedded-SIM）、eSIM卡（嵌入式SIM卡）。eSIM卡的概念是将传统SIM卡直接嵌入到设备芯片上，而不是作为独立的可移除零部件加入设备中，用户无须插入物理SIM卡^[5]。嵌入芯片在抗震、耐高温性能上更佳，具有稳定性更强，防水性能更好等特点，适用于恶劣环境下的设备。eSIM卡也是将硬件设备的生产与运营商数据分开的，先是将硬件设备芯片生产完毕，用户在使用设备时通过空中写卡的方式将运营商数据下载至硬件设备。也就是说，我们可以对同一个硬件设备进行写入和清除，同时还可以让不同设备绑定相同的号码，另外硬件设备可以下载安装不同运营商的数据，从而使设备可以交替使用不同运营商的数据信号，极大地提高了其适应性与应用性。

eSIM接口电路图如图5所示，NB-IOT无线通信模块包括eSIM接口电路，eSIM接口电路包括卡槽以及控制器芯片，卡槽的第一端口IO分别与控制器芯片的第一引脚1以及M5310模组中SIM卡的第一引脚连接，卡槽的第二端口CLK分别与控制器芯片的第六引脚6以及M5310模组中SIM卡的第二引脚连接，卡槽的第三端口RST分别与控制器芯片的第五引脚5以及M5310模组中SIM卡的第三引脚连接，卡槽的第四端口VCC分别与控制器芯片的第三引脚3以及M5310模组中SIM卡的第四引脚连接，卡槽的第四端口VCC还通过电容与控制器芯片的第二引脚2共同接地，卡槽的第五端口GND接地。

3.3  系统设计标准

3.3.1  设计参数

本系统设计参数如表1所示，系统设计采用拥有完全自主知识产权的粮食虫害传感器（专利号：ZL201110115813.1），准确度高，响应速度快，内置高性能处理芯片，内嵌高级滤波算法，可以对实时采集到的数据进行数据比对、超限报警以及趋势预判等操作，系统内部设计采用独立干电池供电的NB-IOT通讯方式并集成eSIM，适用于各种粮库环境，内置一次性电池，使用寿命大于10年，产品体积小便于安装。其独创之处体现在以下几个方面：

（1）低功耗。降低节点的工作电流，睡眠状态下电流消耗仅为几个微安，工作电流不超过20 mA，功率小于100 mW，远低于国家标准。

（2）供电方式。自主设计的模块电路加入了数据的智能化处理，融入了eDRX低功耗模式，降低节点信息的发送频率，采用锂电池供电，一次性锂电池可供节点工作10年以上。

（3）智能计算。自主研发的传感器可以在信号采集的第一时间对信号进行判断处理，分析虫害的种类后通过传输模块发送至云端。

（4）检测误差。检测数量误差小于4%;检测种类误差小于4%。

（5）防雷击。模块采用无线连接，增加防雷熔断机构，防雷击和电网冲击，消除火灾隐患。

（6）低成本。整个模组的价格是目前市场均价的四分之一，大大降低了模组成本。

（7）应用范围广。模组经适当修改可广泛应用于其他领域的物联网无线数据传输。

3.3.2  执行标准

系统执行标准采用GB/T 19001-ISO 9001《质量管理和质量保证标准》;GB/T17626.10-2017《电磁兼容试验和测量技术阻尼震荡磁场抗扰度试验》。使用环境：温度-40 ℃～60 ℃，湿度0 %RH～100 %RH，磷化氢浓度小于2 500 PPM。害虫的检测数量范围达到每种类0～60 000头，能够在恶劣环境下检测，且检测范围大，误差小。

4  结  论

本文设计一款基于NB-IOT的粮仓虫害监测系统，利用虫害监测传感器的输入模块采集粮情中虫害信息，对粮仓进行实时监测。再利用NB-IOT无线通信模块将数据传至云端，进而能够随时获取粮仓虫害信息。本系统经过大量实验测试，充分证明验证了该系统的实时性、低功耗性、可靠性和高效性。在实地的运用过程中，用户可以在客户端快捷的查看粮仓虫害变化的历史数据，提高了环境恶劣情况下的适应性，保证了通信质量稳定性。

参考文献：

[1] 罗广彬.浅谈粮食企业仓储管理现状及科学保粮发展 [J].现代食品，2019（16）：5-7.

[2] 陈剑兴.基于NB-IOT下的粮仓温湿度检测 [J].中国新通信，2020，22（18）：127-128.

[3] 孙洁，许清河，刘晓悦.基于NB-IoT技术的远程粮情监控系统设计 [J].自动化与仪表，2020，35（4）：86-89+93.

[4] 岐世峰，李艳华，无线粮情监测管理系统的设计与实现 [J].四川大学学报（自然科学版），2012，49（1）：75-79.

[5] 陈丰伟.双卡手机，中国创新对全球终端发展的贡献 [J].互联网天地，2018（10）：32-37.

作者简介：谢刚（1998—），男，汉族，四川眉山人，本科在读，研究方向：物联网技术;岐世峰（1964—），男，汉族，山西临猗人，教授，本科，研究方向：物联网技术及应用;李欣悦（1998—），女，汉族，四川达州人，本科在读，研究方向：软件工程。

收稿日期：2021-04-12