基于NB-IoT的危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王麗俐 毛雯雯 施炯

摘 要：針對物流企業(yè)倉儲中危化品環(huán)境監(jiān)測存在的諸多弊端，以溫度、濕度、光強、煙霧、可燃性氣體和氣壓這六類環(huán)境特征參數(shù)為對象，運用計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)，通過傳感器特征參數(shù)的數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計了一套低功耗危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。將檢測到的倉庫內(nèi)不同位置的環(huán)境數(shù)據(jù)通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）模塊封裝為LWM2M協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺，一方面可以在云端將數(shù)據(jù)進行實時展現(xiàn);另一方面可以通過手機端的微信小程序查看數(shù)據(jù)，同時進行反饋控制。實驗結(jié)果表明，該危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的精度和較低的誤報率，結(jié)合NB-IoT的低功耗、低帶寬、大連接特性，提高了危化品物流倉儲工作的效率，可有效避免意外發(fā)生和財產(chǎn)損失，對推進城市的智能化與城市形象的規(guī)范化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合;環(huán)境監(jiān)測;窄帶物聯(lián)網(wǎng);OneNET平臺;微信小程序;智能化

中圖分類號：TP393文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-05

0 引 言

隨著經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展，新型物流企業(yè)亦隨之迅速發(fā)展，為提高物流的運行質(zhì)量，危化品物流公司已不再使用傳統(tǒng)的物流管理技術(shù)。危化品倉儲作為物流各環(huán)節(jié)的重點關(guān)注對象，其所處環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測對于及時發(fā)現(xiàn)危化品的安全隱患起到了關(guān)鍵作用。危險化學(xué)品的物理及化學(xué)性質(zhì)與一般存儲物品不同，也正因為如此，危化品在整個物流過程中的各個環(huán)節(jié)均與普通貨物存在著極大差別。自天津港區(qū)危化品倉庫爆炸事件發(fā)生后，危化品的生產(chǎn)、經(jīng)營、儲存、運輸、使用、處置各環(huán)節(jié)受到了國家各級政府部門的高度重視[1]。目前企業(yè)安全生產(chǎn)事故風(fēng)險預(yù)警的研究剛剛起步，許多理論問題有待進一步澄清，許多技術(shù)問題有待解決[2]。危化品的突發(fā)狀況不僅會為經(jīng)濟造成損失，更對自然環(huán)境造成了巨大污染。

因此，針對不同類別危化品的物理特性對其特征參量進行探測已成為目前危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測的主要研究方向。為了改善現(xiàn)有危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測誤測率高的問題，本系統(tǒng)以溫度、濕度、煙霧、可燃性氣體和氣壓作為危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測對象，利用數(shù)據(jù)融合算法進行監(jiān)測設(shè)計。通過運營商的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)，可以將本系統(tǒng)終端節(jié)點布設(shè)在倉庫的不同位置，無需搭建私有網(wǎng)絡(luò)，并通過OneNET平臺與微信小程序?qū)崟r觀測終端周圍的環(huán)境是否出現(xiàn)異常。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)分為硬件終端、OneNET平臺、手機微信小程序三部分，其中硬件終端與OneNET平臺通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信，手機微信小程序通過HTTP協(xié)議獲取OneNET服務(wù)器的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

基于NB-IoT的危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型的建立、低功耗的優(yōu)化策略、ZigBee組網(wǎng)的搭建和NB-IoT技術(shù)是本系統(tǒng)的核心，通過廣域網(wǎng)接入倉儲終端采集數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有OneNET平臺實時獲取采集的數(shù)據(jù)，在云平臺動態(tài)顯示數(shù)據(jù)并對其進行分析，可以得到物品溫度、濕度、光強和煙霧等信息，從而對意外狀況做出及時的應(yīng)急處理或者對危化品進行調(diào)控。通過設(shè)計微信小程序，可以將微信作為入口，快速獲取危化品倉儲終端的信息，方便用戶了解貨物的實時動態(tài)。系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

1.3 危化品倉儲物流環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

不同類型的危化品對于儲存環(huán)境的需求不同，表1所列為不同類別危化品存儲狀態(tài)參量。

危化品監(jiān)測系統(tǒng)中的軟件設(shè)計是系統(tǒng)的核心，對所采集數(shù)據(jù)進行的一系列交換、保存以及顯示等操作均由該軟件系統(tǒng)處理。在危化品倉儲環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中，最需要解決的是如何快速準(zhǔn)確地獲取危化品所處環(huán)境的參數(shù)，從而對處于緊急情況下的危化品進行調(diào)度，得到危化品所處狀態(tài)信息，便于實時報警。危化品倉儲物流環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測需要結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)、地理信息技術(shù)和現(xiàn)代計算機與通信技術(shù)，實現(xiàn)人、物的緊密聯(lián)系與統(tǒng)一配合，從而大幅提高危化品倉儲物流的效率。

危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計流程。

（1）在倉庫中的不同位置安裝多個監(jiān)測設(shè)備，包括溫度、濕度、光強、煙霧、可燃性氣體和氣壓傳感器，通過倉庫中危化品所需監(jiān)測的物理狀況將其他傳感器節(jié)點休眠。

（2）待采集到倉庫內(nèi)不同位置環(huán)境的數(shù)據(jù)后，通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，一方面可以在云端將獲取的數(shù)據(jù)進行展現(xiàn);另一方面，可以通過手機端的微信小程序?qū)崟r查看數(shù)據(jù)，同時反饋至控制倉庫內(nèi)的環(huán)境調(diào)控設(shè)備。

2 系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成

2.1 基于ZigBee的數(shù)據(jù)節(jié)點采集系統(tǒng)的設(shè)計

ZigBee支持的網(wǎng)絡(luò)類型主要有三種，即星型網(wǎng)絡(luò)、樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[1-3]。由于危化品儲存?zhèn)}庫的體積有一定的限度，通常無需路由節(jié)點的布置，所以可選只包含終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的星形網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點：主要負(fù)責(zé)信息的采集工作，經(jīng)單跳或者多跳的方式把消息上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以有多個終端節(jié)點設(shè)備。

協(xié)調(diào)器節(jié)點：主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和維護、網(wǎng)絡(luò)地址的分配和信息處理分析工作等，同時一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通常只允許有一個協(xié)調(diào)器[3]。

在該危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，各傳感器與ZigBee協(xié)調(diào)器組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個不同的傳感器對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行采集，通過無線信道傳送給ZigBee協(xié)調(diào)器，然后ZigBee協(xié)調(diào)器匯總收集到的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)將所有數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)關(guān)。該設(shè)計中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

2.2 NB-IoT通信傳輸系統(tǒng)設(shè)計

在危化品倉儲終端節(jié)點處安裝該監(jiān)測系統(tǒng)所需的傳感器，各傳感器收集采集到的數(shù)據(jù)，通過ZigBee組網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT基站，之后NB-IoT基站將數(shù)據(jù)上傳到云端，由云端接收和保存，最后云端將接收的數(shù)據(jù)進行綜合處理分析，通過微信小程序顯示獲取數(shù)據(jù)。NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)如圖5所示。

由于實現(xiàn)技術(shù)路線存在一定的差異，因此對該危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)而言，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)該系統(tǒng)的最佳選擇。NB-IoT采用新的獨立的空口連接技術(shù)使整體的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更加健壯、成熟、穩(wěn)定，更適合于現(xiàn)階段萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求[4]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

倉儲終端位于危化品存儲倉庫內(nèi)的不同位置，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。同時，在倉庫內(nèi)溫度、濕度、煙霧或光強等指標(biāo)超過警戒值時將發(fā)出警報。危化品倉儲環(huán)境終端設(shè)計如圖6所示。

硬件終端使用STM32F103RET6主控芯片，添加的外圍傳感器包括光敏電阻、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃性氣體傳感器和氣壓傳感器，使得采集的內(nèi)容較為全面，對倉儲內(nèi)危化品所處的環(huán)境參數(shù)的判斷更加準(zhǔn)確。當(dāng)危化品倉儲環(huán)境與正常環(huán)境參數(shù)相比發(fā)生突變時，需要溫度、濕度、煙霧、光強、可燃性氣體以及氣壓傳感器同時判斷某一環(huán)境參數(shù)是否發(fā)生變化，并通過傳感器的位置信息對該區(qū)域的環(huán)境變化進行預(yù)防。STM32微處理器獲取外圍傳感器的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進行分析并判斷是否超過本地最高閾值（代表某處環(huán)境已經(jīng)發(fā)生變化），如果超出，則下發(fā)控制命令給LED燈和蜂鳴器，拉響警報，同時將數(shù)據(jù)通過M5310模塊上傳到OneNET服務(wù)器;如果未超出，則通過M5310模塊發(fā)送信息給OneNET服務(wù)器進行實時監(jiān)測。并且終端設(shè)備還可以接收OneNET服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)獲取命令和控制命令。

NB-IoT是一種覆蓋率高，時延小的網(wǎng)絡(luò)，通過采用重傳和低階調(diào)制等機制增強了覆蓋率，同時NB-IoT支持低功耗選項，可以借助節(jié)電模式和超長非連續(xù)模式接收信息，實現(xiàn)更長時間待機。網(wǎng)關(guān)節(jié)點上電后會自動接入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，可以在MCU上直接使用AT指令向OneNET平臺發(fā)起注冊、上傳數(shù)據(jù)等請求。

該開發(fā)板集成了MCU與M5310芯片，使得開發(fā)更加方便，可直接通過發(fā)送AT指令完成數(shù)據(jù)的上傳。在該開發(fā)板上的相關(guān)傳感器均采用I2C連接方式，節(jié)約了單片機引腳，方便擴展外圍元件。本次開發(fā)所使用的開發(fā)板的外圍元件包括LED指示燈、蜂鳴器、溫濕度傳感器、光敏傳感器、MQ2煙霧傳感器、MQ5可燃性氣體傳感器、氣壓傳感器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點如圖7所示。

3.2 云平臺應(yīng)用

3.2.1 進入開發(fā)者中心并創(chuàng)建產(chǎn)品

注冊和創(chuàng)建OneNET賬號并且登錄后，OneNET平臺的主頁右上角變成開發(fā)者中心，點擊開發(fā)者中心就能進入用戶的開發(fā)者頁面。OneNET用戶主頁面如圖8所示。

3.2.2 綁定設(shè)備

在創(chuàng)建完產(chǎn)品后，用戶需綁定終端設(shè)備。回到開發(fā)者頁面，可以看到已有一個產(chǎn)品需要添加設(shè)備。點擊創(chuàng)建的產(chǎn)品名字，進入設(shè)備頁面，此處可以看到“添加設(shè)備”按鈕，點擊后彈出如圖10所示頁面。為終端設(shè)備設(shè)置命名，然后輸入M5310上的IMEI碼，再輸入物聯(lián)網(wǎng)卡上的IMSI碼，點擊“確定”即可添加終端設(shè)備。

3.2.3 創(chuàng)建應(yīng)用

在OneNET平臺上可以很方便地創(chuàng)建一個應(yīng)用，基于設(shè)備的數(shù)據(jù)流，用戶可以為設(shè)備下的數(shù)據(jù)流創(chuàng)建相關(guān)應(yīng)用并在線發(fā)布，通過發(fā)布頁面對數(shù)據(jù)趨勢進行直觀展示。創(chuàng)建一個應(yīng)用模板后，用戶便可在應(yīng)用管理頁面找到已經(jīng)創(chuàng)建的應(yīng)用，點擊應(yīng)用的名字就可以進入應(yīng)用查看頁面，點擊“編輯”按鈕可以編輯該應(yīng)用的內(nèi)容，編輯應(yīng)用頁面如圖11所示。可以在編輯區(qū)域添加應(yīng)用，在編輯框的右邊編輯應(yīng)用屬性，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括與應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的設(shè)備、數(shù)據(jù)流、應(yīng)用標(biāo)題、數(shù)據(jù)刷新頻率、X/Y坐標(biāo)點數(shù)目等，編輯完成后點擊右上角的“發(fā)布”按鈕便完成了應(yīng)用的創(chuàng)建。

3.2.4 數(shù)據(jù)顯示

在終端設(shè)備完成資源注冊后，用戶可以獲取各傳感器數(shù)據(jù)，在左邊側(cè)欄里選擇設(shè)備管理就可以看到已注冊的設(shè)備，然后點擊資源列表，可看到終端上傳的各種傳感器數(shù)據(jù)和LED、蜂鳴器的狀態(tài)，如圖12所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)選用Keil軟件，Keil工具界面簡潔友好，使用簡單。STM32處理器的工作流程包含主程序和中斷服務(wù)程序，如圖13所示。系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)外設(shè)的初始化和M5310模塊的初始化，在M5310成功注冊網(wǎng)絡(luò)并連接到OneNET平臺后進行資源注冊，然后獲取外圍傳感器的數(shù)據(jù)并判斷傳感器數(shù)據(jù)是否超過閾值，如果超過就拉響警報并上傳數(shù)據(jù);如果未超過則上傳傳感器數(shù)據(jù)到OneNET平臺。在系統(tǒng)運行過程中如果接收到OneNET平臺的命令則解析該命令;如果是控制命令則控制LED和蜂鳴器的狀態(tài);如果是獲取數(shù)據(jù)命令則讀入傳感器數(shù)據(jù)并上傳。

4.2 微信小程序設(shè)計

將云平臺與微信小程序有效結(jié)合，用戶可以通過微信查看危化品所處環(huán)境的狀態(tài)，及時對意外狀況做出反應(yīng)。微信小程序通過微信Web開發(fā)工具進行開發(fā)，借助微信平臺，只需要一次開發(fā)就能同時在各手機系統(tǒng)上使用，無需下載應(yīng)用，只需掃描二維碼即可使用。

危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)微信端打開后的界面如圖14所示，最上面顯示的是系統(tǒng)終端所在倉庫內(nèi)的區(qū)域，下面則分別是監(jiān)測到該位置所處環(huán)境的溫度、濕度、光強、煙霧、可燃?xì)怏w濃度和氣壓，用戶可以通過對應(yīng)模塊下的數(shù)字來實時觀察該區(qū)域環(huán)境的情況。最下面兩個按鈕分別表示打開預(yù)警和關(guān)閉警報，點擊后可以打開或關(guān)閉蜂鳴器以及警示燈，并且這兩個開關(guān)也是蜂鳴器和警示燈的狀態(tài)指示開關(guān)，可通過其狀態(tài)來檢測蜂鳴器和警示燈是否打開。

5 結(jié) 語

本論文研究設(shè)計了基于NB-IoT的危化品倉儲環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，旨在解決高價值、高危險度貨物在儲存中自身的狀態(tài)信息是否正常，對危化品狀態(tài)信息進行透明化處理等問題。目前部分危化品企業(yè)的緊急報警系統(tǒng)、危化品倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以及視頻監(jiān)測系統(tǒng)各成一體，難以實現(xiàn)對危化品倉儲環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。且當(dāng)前倉儲物流主要存在終端難維修和難維護，以及傳感器和危化品倉儲終端的接口適配問題，由于采用GPRS網(wǎng)絡(luò)回傳，功耗較高，故無法支持整個倉儲物流周期的監(jiān)測。本文提出新的危化品倉儲物流環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以有效解決上述問題，由ZigBee感知節(jié)點采集數(shù)據(jù)，通過NB-IoT回傳數(shù)據(jù)給云端，以減輕布線和組網(wǎng)的壓力，降低功耗，幫助用戶更好更快地獲取貨物信息，從而對意外狀況進行及時處理，提高危險化學(xué)品的安全監(jiān)管信息化水平。

參 考 文 獻

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