赵远超，赵建平，徐 娟，杨 君，许林青

(曲阜师范大学物理工程学院，山东 曲阜 273165)

0 引言

随着社会经济迅速发展，现代物流与仓储的重要性日益凸显。特别是仓储管理，它对物资保管和养护，防止产品腐蚀和霉变显得尤为重要[1]。因此，设计一款对仓库内环境进行实时监测和远程控制的系统具有现实意义。

低功耗广域网(low power wide area network，LPWAN)通信技术，作为蜂窝机器到机器(machine to machine,M2M)连接的有效补充方案，加快了物联网在低功耗、大连接、广覆盖方面的发展[2]。窄带物联网(narrow band-internet of things,NB-IoT)作为LPWAN的一种长距离通信技术，解决了传统无线传感网络传输中广覆盖与低功耗不能兼得的问题[3]。NB-IoT技术定位于运营商级，工作在授权频谱，可直接部署于长期演进(long term evolution,LTE)网络或基于运营商现有的2G、3G网络，是一种可在全球范围内广泛使用的物联网新兴技术[4]。同时，NB-IoT技术在LTE系统的非连续接收(discontinuous reception，DRX)的基础上进行优化，采用功耗节省模式(power saving mode，PSM)和增强型非连续接收(enhanced discontinuous reception，eDR)两种模式。用户可根据特定场景选择，从而实现设备超低功耗[5]。

为解决传统仓储环境监测系统功耗高、无法远程控制等问题，本文将STM32L476超低功耗控制器、NB-IoT技术和Java Web技术应用到仓储环境远程监测系统中，解决了传统设备功耗高、传输距离短和无法远程控制的问题，在保证设备处于低功耗模式仍可以正常工作的同时，实现了仓储环境内参数实时监测和远程控制。

1 系统设计架构

为便于仓库管理人员实时监测仓库环境、远程控制温湿度，本文设计了一种基于NB-IoT技术的仓储环境远程监控系统。该系统主要由感知层、网络层和应用层三部分组成[6]。系统设计架构如图1所示。

感知层主要实现多传感器节点信息的收集与处理，并采用冗余检查和软件滤波方法对数据进行优化处理，保证其准确性和完整性。同时，控制器向底层设备发送动作执行信号，控制其工作。

网络层主要包括NB-IoT模块和IoT平台两部分。其中，NB-IoT作为无线通信模块，通过基站将数据转发至IoT平台，或从IoT平台转发至感知层。IoT平台负责用户设备的注册、删除和设备异常情况监测等。同时，开发者上传设备描述性文件和编解码插件至平台后，平台对上行数据码流解码和下行数据编码，并在数据变化时，通知应用服务器。

应用层实现人机交互，主要包括服务器端和客户端。服务器端通过逐次比较IoT平台推送的消息和系统设定阈值的方式作出决策，并根据决策结果决定是否发出烟雾报警信号或排风动作。同时，设备数据库存储设备注册信息，环境监测数据库储存当前时刻各传感器的参数值，便于在客户端进行历史数据查询和实时显示。

图1 系统设计架构图Fig.1 System design architecture

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件组成

为了便于部署和扩展，系统采用模块化设计。系统硬件由电源供电模块、数据采集模块、控制器模块、NB-IoT模块和动作执行模块五部分组成[7]。其中，电源供电模块由锂电池和电压转换电路组成，为各模块提供3.3 V或5 V工作电压；数据采集模块包括各类传感器、A/D转换器和信号调整电路；动作执行模块由继电器、排风扇和烟雾报警等装置组成，分别响应用户给出的降温、干燥操作和系统烟雾报警。

硬件结构框图如图2所示。

图2 硬件结构框图Fig.2 Block diagram of hardware structure

2.2 系统芯片选型

考虑到本系统针对的是长距离无线通信，设备需要低功耗的特点，控制器模块选用意法半导体公司生产的工业级控制器STM32L476。作为工业级控制器，该芯片主频可达80 MHz，自带1 MB的Flash和128 KB的SRAM，56个可编程通用输入输出口，支持模数转换、集成电路总线、通用异步收发传输器、控制器局域网络外设，足以保证系统稳定工作和后期功能扩展。

NB-IoT模块选用移远公司基于海思Boudica 120芯片设计推出的BC95，模块支持单个频段900 MHz，可通过发送AT指令使模块的工作方式在PSM和eDRX模式下切换，实现设备超低功耗。同时，BC95通过自身提供的UART与STM32连接，构成主控板，体积小巧。

根据仓库环境监测实际需求，锂电池18650通过LM2576s和ASM117组成的3.3 V和5 V电压转换电路，为主控制器和数据采集模块供电；温度传感器采用DS18B20，测温范围是-55～+125 ℃，单线接口，驱动电路简单；湿度传感器采用HS1101电容式温度传感器，测量范围在1～100%RH，测量精度是±3RH；烟雾浓度传感器选用BMG-CO2-NDIR型CO2检测传感器，有效检测范围为0～10 000×10-6，性能稳定[8]。

3 系统软件设计

系统软件可分为底层微控制单元(micro controller unit,MCU)驱动程序设计，中间层IoT连接管理平台插件设计，顶层Java Web应用程序设计三部分。

3.1 MCU驱动程序设计

驱动程序基于STM32CubeMX集成开发环境，采用C语言程序开发。考虑到系统使用锂电池供电，因此在设计算法时应考虑尽可能降低功耗。本系统通过控制微处理器休眠和切换NB-IoT模块工作模式，使设备工作于低功耗状态。同时，在处理传感器参数时，采用冗余检查和软件滤波的方法对数据进行优化，保证其准确性和可靠性。驱动程序设计流程如图3所示。

图3 驱动程序设计流程图Fig.3 Flowchart of driver program

3.2 IoT连接管理平台插件设计

鉴于NB-IoT设备与Ocean Connect平台采用一种复限的应用协议(constained application protocol,CoAP)通信协议，且设备对功耗要求较高。一般应用层数据不采用流行的JSON格式，而采用16进制格式。因此，需要编解码插件将上报的数据(16进制格式)解码为JSON格式数据供应用服务器“阅读”，并将下行命令(JSON格式)编码为16进制格式数据供设备“理解执行”。设备描述性文件结构如图4所示。

图4 设备描述性文件结构图Fig.4 Structure of device description file

设备描述性文件是描述一款设备“是什么”、“能做什么”以及“如何控制”的文件。本系统设计中，NB-IoT设备描述性文件包含一个用于概括整体设备的描述性文件和四个设备服务类型文件，分别对应温度检测、湿度检测、电池电量检测和烟雾浓度检测动能。

3.3 Java Web应用程序设计

Java Web应用程序设计分为两部分：服务器端和客户端。服务器端采用Java服务器页面(java sever page,JSP)技术，在集成开发环境Eclipse下编译、调试通过后，部署到Web服务器Apache Tomcat 7.0，实现云平台数据至云服务器下的存储[9]。客户端采用目前开发小程序主流的HTML5技术和Native.js技术编写，优点在于不需要下载和安装即可使用，可随时随地在联网的智能手机或平板计算机上查看仓库内温湿度数值、设备剩余电池电量和烟雾浓度。用户可根据仓库内温湿度情况选择是否打开排风设备，方便快捷[10]。

4 系统测试与应用

系统主要完成仓库内温湿度、烟雾浓度及设备电池电量的远程监测和烟雾报警等功能。为了检测系统设计的可靠性，选用手持数字温度计作为与测试温度作对比的标准温度计；选用手持式数字湿度计作为标准湿度计；选用数字式烟雾浓度检测仪作为标准烟雾浓度检测仪。系统搭建完成后，进行实地测试，检验仓库内的环境变化。对其进行12 h监测，每隔2 h记录一次数据，与标准的数字式仪器进行比较。另外，为检测烟雾检测装置灵敏性，将一烟头放在其附近，并与烟雾检测仪进行比较。环境参数值如表1所示。

表1 环境参数值Tab.1 Environmental parameters and standard values

由表1可知，结合NB-IoT技术和Java Web技术，控制系统可实时监测仓库内温湿度变化、电池电量变化以及烟雾浓度变化，误差在1%以内；当烟雾浓度达到设定的阈值后，会触发烟雾报警装置，发出警报；电池电量在12 h的变化量仅为0.1%，系统功耗非常低。

仓储环境监测系统于实地测试半年未发生异常，在温湿度和烟雾浓度允许的误差范围内，工作状态良好、测试结果稳定。仓储管理人员反馈，系统操作简单，体现出较强的实用性、便捷性，可基本满足现代仓储管理的需求。

5 结束语

基于NB-IoT技术的仓储环境远程监测系统具备对仓库内温湿度、烟雾浓度和电池电量监测的功能。与传统仓储监测系统相比，该系统在功耗、部署成本以及稳定性等方面都有极大提高。同时，仓库管理人员可随时随地查看仓库内环境参数变化，远程控制仓库内排风装置，方便快捷，大大提高了仓库管理人员的工作效率。该研究有利于提高仓储管理的自动化水平，加快了仓储管理的智能化和信息化的进程。