基于NB-IoT 的酒窖環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)

南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016

酒在我國有著悠久的歷史和濃厚的文化底蘊，酒窖是釀酒時用于重要且漫長的發(fā)酵和陳釀工藝的場所。酒窖的溫度、濕度和人工照明強度等環(huán)境因素對酒的品質(zhì)有著極大的影響，一般溫度正常保持在10～16 ℃，理想的濕度在55%～75%，人工照明強度在100 Lx 以下；同時，酒精濃度和空氣質(zhì)量直接影響作業(yè)人員的活動[1?2]。因此，對酒窖環(huán)境進行監(jiān)測尤為必要。起初的酒窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用有線方式采集數(shù)據(jù)[3?4]，需要現(xiàn)場布線，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護成本較高，需要現(xiàn)場查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，ZigBee等短距離無線通信技術(shù)被應(yīng)用于酒窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[5?8]，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)無線采集和上傳云端，但需要自組網(wǎng)，仍然存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護成本高的問題。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things,NBIoT)作為近幾年問世的一種低功耗廣域網(wǎng)(low power wide area network,LPWAN)無線通信技術(shù)，直接使用授權(quán)頻譜的運營商網(wǎng)絡(luò)，無需自組網(wǎng)，不僅結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省投資、便于維護，并且相比于ZigBee 等無線通信技術(shù)，具有深度覆蓋、強穿透性的特點[9]，成為面向智能抄表、智能交通、智能消防、智慧農(nóng)業(yè)、智慧家居、遠程環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域的新一代無線通信技術(shù)[10]。針對遠程環(huán)境監(jiān)控，趙遠超[11]、潘磊磊[12]、Hang 等[13]分別設(shè)計了基于NB-IoT 的倉儲環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

酒窖一般處于地下，對監(jiān)測信號覆蓋的可靠性提出很高的要求，因此，結(jié)合釀酒工藝的環(huán)境需求，充分利用NB-IoT 技術(shù)優(yōu)點，本文提出了一種將NB-IoT 通信技術(shù)應(yīng)用于酒窖環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了采用溫濕度、光敏、乙醇、空氣質(zhì)量等傳感器實時監(jiān)測酒窖溫度、濕度、光照強度、酒精濃度、空氣質(zhì)量的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)對酒窖的溫度、濕度、光照強度、酒精濃度和空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測，以及異常現(xiàn)場情況的報警、數(shù)據(jù)遠程上報和管理的需求，本文設(shè)計了采用信息服務(wù)“云?管?端”的監(jiān)測系統(tǒng)新架構(gòu)[14?16]，如圖1 所示。“端”即監(jiān)測終端，是系統(tǒng)邏輯架構(gòu)的底層，監(jiān)測終端主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與顯示、異常報警、數(shù)據(jù)上報等功能。“管”指NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)“端”與“云”之間數(shù)據(jù)流的傳輸控制，由運營商搭建、管理，不必像采用ZigBee、LoRa、Sigfox無線通信技術(shù)那樣自建網(wǎng)絡(luò)。“云”指IoT 云平臺，具有數(shù)據(jù)接收、存儲、管理功能，以及數(shù)據(jù)可視化、下行控制、告警等功能。

本文采用中國移動OneNET 云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲、管理與顯示。可見，采用“云?管?端”的系統(tǒng)架構(gòu)可以使酒窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)標準化、模塊化，不僅有利于系統(tǒng)的快速部署、更換和配置所需設(shè)備，使系統(tǒng)便于維護，而且有利于降低系統(tǒng)開發(fā)難度。

本系統(tǒng)首先由各監(jiān)測終端對酒窖環(huán)境的溫濕度、光照強度、乙醇濃度、空氣質(zhì)量，以及電源電壓等數(shù)據(jù)進行采集，并檢測數(shù)據(jù)是否異常，然后通過液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)顯示數(shù)據(jù)及其狀態(tài)，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則通過蜂鳴器報警。最后，各監(jiān)測終端通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給OneNET 云平臺。由于采用了NB-IoT+One NET 云平臺的技術(shù),技術(shù)人員可不在酒窖現(xiàn)場進行環(huán)境監(jiān)測，而是通過電腦或手機遠程實時登錄OneNET 云平臺查看酒窖環(huán)境參數(shù)，一旦在報警界面查看到存在報警，則可立即采取處理措施。例如收到酒精濃度異常報警時，表明酒窖空氣中酒精濃度超標，技術(shù)人員可立即查找原因，采取處理措施。

圖1 酒窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)“云-管-端”示意

2 監(jiān)測終端硬件設(shè)計

本系統(tǒng)監(jiān)測終端放置于酒窖內(nèi)，其個數(shù)主要根據(jù)酒窖的面積和各種傳感器硬件性能確定。監(jiān)測終端通過傳感器實現(xiàn)酒窖的溫度、濕度、光照強度、乙醇濃度、空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)的采集，同時通過電壓采集電路采集電源電壓實現(xiàn)低電預(yù)警，通過搭載的LCD 顯示屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示；通過蜂鳴器實現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)異常現(xiàn)場報警；通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)定時向IoT 云平臺上報數(shù)據(jù)。

監(jiān)測終端包括微控制器(microcontroller unit,MCU)最小系統(tǒng)、NB-IoT 通信模塊、溫濕度傳感器、光敏傳感器、乙醇傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、電壓采集電路、LCD 顯示屏、Flash、發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)指示燈、蜂鳴器以及電源模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)示意

MCU 采用意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的低功耗、高性能STM32F103 芯片，基于ARM 32 位Cortex-M3 CPU 內(nèi)核，支持TIM、ADC、SPI、I2C 和USART 等外設(shè)接口。NB-IoT 通信模塊是由NB-IoT 模組、電源、串口、SIM 卡座、復(fù)位、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈、天線等電路組成。采用中國移動的工作頻段為Band3、Band5、Band8 的工業(yè)級NB-IoT 模組M5310-A，無針腳芯片封裝(leadless chip carriers,LCC)，尺寸僅為19 mm×18.4 mm×2.2 mm，最大限度地滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，同時M5310-A 支持eSIM 和OneNET 云平臺協(xié)議。NB-IoT 通信模塊通過通用同步/異步串行接收/發(fā)送器(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter,USART)與MCU 進行數(shù)據(jù)通信。溫濕度傳感器選用超低能耗的AM2302 高精度數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，采用標準的單總線接口，僅需通過通用輸入/輸出口(general-purpose input/output,GPIO)與MCU 連接。光敏電阻傳感器YL-38、乙醇傳感器MQ-3、空氣質(zhì)量傳感器MQ-135 均為電壓模擬量輸出，可直接通過ADC 接口與MCU 連接。LCD 顯示屏選用2.8 寸TFTLCD，通過GPIO 總線與MCU 連接。Flash 選用華邦公司推出的容量為128 MB 的SPI Flash 芯片W25Q128，通過SPI 接口與MCU 相連。

對于供電電源模塊，AM2302 溫濕度傳感器、YL-38 光敏電阻傳感器、MQ-3 乙醇傳感器以及MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器額定工作電壓均為5 V，NB-IoT 通信模組額定工作電壓為3.6 V，MCU、LCD 顯示屏、Flash、LED 指示燈以及蜂鳴器工作電壓為3.3 V。采用3.6 V 直流電源供電，先通過MC34063 組成的升壓電路輸出9.0 V，然后通過AM1114-5.0 組成的降壓電路輸出5.0 V，再分別通過MIC29302WU、AMS1114-3.3 組成的降壓電路輸出3.6 V 和3.3 V。

3 軟件設(shè)計

圖3 為監(jiān)測終端的軟件流程。監(jiān)測終端上電后，首先對硬件初始化，包括外設(shè)接口參數(shù)配置，RTC、數(shù)據(jù)采集傳感器、LCD、NB-IoT 模塊等初始化。之后檢測NB-IoT 模組是否成功附著網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)附著成功后，為了實現(xiàn)監(jiān)測終端與IoT 云平臺的數(shù)據(jù)交互，監(jiān)測終端必須接入IoT 云平臺。本文采用中國移動的OneNET 平臺，監(jiān)測終端接入OneNET 平臺流程如圖4 所示。

圖3 軟件流程

圖4 監(jiān)測終端對接OneNET 平臺流程

接入?yún)f(xié)議采用LwM2M 協(xié)議。LwM2M(輕量級M2M)協(xié)議是OMA(open mobile alliance)國際標準化組織為了解決資源受限類終端的管理問題和M2M 業(yè)務(wù)通信問題研發(fā)的終端管理協(xié)議[17]。LwM2M 規(guī)范定義了每個對象對應(yīng)客戶端的某個特定功能實體Object，例如溫度傳感器、濕度傳感器等，用Object_ID 來表示不同的對象。Instance代表著一個Object 的不同實例，例如溫度傳感器0、溫度傳感器1 等，用Instance_ID 表示不同實例的編號。Resource 代表著一個Instance 的不同資源，例如溫度傳感器0 的溫度值，用Resource_ID表示不同的資源。為了提高程序的可移植性，OMA定義的標準資源模型，即規(guī)范定義了Object_ID、Instance_ID、Resource_ID[18?20]。根據(jù)標準資源模型，本系統(tǒng)的對象實例資源如表1 所示。根據(jù)OneNET平臺接入流程以及資源模型，系統(tǒng)軟件完成創(chuàng)建通信實例、上傳對象實例資源、發(fā)送登錄請求并檢測登錄結(jié)果。

表1 對象實例資源列表

監(jiān)測終端接入IoT 云平臺后，監(jiān)測終端進入正常工作狀態(tài)。NB-IoT 為了降低待機功耗，采用了節(jié)電模式(power saving mode,PSM)，未上傳數(shù)據(jù)時，NB-IoT 模塊處于深度休眠狀態(tài)。本系統(tǒng)每隔一定時間進行一次數(shù)據(jù)采集，時間間隔可根據(jù)實際情況設(shè)定。因此，每次上報數(shù)據(jù)前，監(jiān)測終端NB-IoT 模塊必須重新登錄云平臺。通過傳感器采集數(shù)據(jù)后，先通過NB-IoT 進行數(shù)據(jù)上報，然后刷新LCD 上的數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否異常，若數(shù)據(jù)異常，則LCD 將顯示數(shù)據(jù)異常，同時蜂鳴器將報警。數(shù)據(jù)上報至OneNET 云平臺后，OneNET云平臺通過對象資源模型保存數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，本文采用OneNET 應(yīng)用管理模塊開發(fā)酒窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用管理平臺。用戶僅需通過手機或電腦登錄此平臺，即可實現(xiàn)遠程實時查看酒窖環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試

為了保障系統(tǒng)的實用性，本文對其功能的準確性和完整性進行測試，包括數(shù)據(jù)采集、LCD 顯示、異常報警和數(shù)據(jù)遠程上報、管理、顯示等功能的測試。測試主要通過監(jiān)測終端酒窖現(xiàn)場測試和酒窖監(jiān)測管理平臺遠程測試。

首先，將本監(jiān)測終端放置于酒窖中對其進行現(xiàn)場測試。圖5 所示為本系統(tǒng)的一個監(jiān)測終端，搭載有NB-IoT 通信模塊、溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器、乙醇傳感器、空氣質(zhì)量傳感器等。打開電源，監(jiān)測終端便進行硬件初始化、監(jiān)測NBIoT 網(wǎng)絡(luò)附著狀態(tài)，并接入云平臺。然后，監(jiān)測終端便進入正常的環(huán)境監(jiān)測階段。圖6 為監(jiān)測終端1 的LCD 顯示屏，分別對監(jiān)測終端采集的溫度、濕度、光照強度、乙醇濃度、空氣質(zhì)量、電壓以及實時時間等數(shù)據(jù)及其狀態(tài)進行顯示。溫度正常范圍為10～16 ℃，光照強度正常小于100 Lx，其實際值均超出正常范圍，因此，LCD 顯示其狀態(tài)為異常，并且終端啟動蜂鳴器報警。

圖5 監(jiān)測終端

圖6 LCD 顯示

之后進行酒窖環(huán)境監(jiān)測管理平臺遠程監(jiān)測測試。圖7 為通過OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺搭建的酒窖環(huán)境監(jiān)測管理平臺，實現(xiàn)對30 個監(jiān)測終端的管理，同時可通過每個監(jiān)測終端的狀態(tài)顯示圖標查看異常報警。同時可通過“查看詳情”按鈕查看每個監(jiān)測終端詳細數(shù)據(jù)，如圖8 所示，為監(jiān)測終端1 的詳細數(shù)據(jù)顯示界面，可通過儀表盤實時查看溫度、濕度、光照強度、乙醇濃度、空氣質(zhì)量、電壓等數(shù)值，同時可以通過曲線圖查看其變化趨勢。

圖7 酒窖環(huán)境監(jiān)測管理平臺

圖8 監(jiān)測終端1 顯示界面

經(jīng)過以上測試，監(jiān)測終端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、異常報警等功能正常，達到設(shè)計要求。同時監(jiān)測終端與云平臺的交互功能準確、穩(wěn)定，系統(tǒng)完成一次數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、異常判斷、數(shù)據(jù)上報時間不超過20 s，說明本酒窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能性達到預(yù)期要求，具有實用性。

5 結(jié)論

酒在我國有著悠久的歷史和濃厚的文化底蘊，而酒窖是釀酒過程中用于發(fā)酵和儲存的地方，酒窖環(huán)境對酒的品質(zhì)具有重大的影響。

1)本文基于“云?管?端”物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)架構(gòu)，采用NB-IoT 通信技術(shù)設(shè)計了一套酒窖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對酒窖溫度、濕度、光照強度、乙醇濃度、空氣質(zhì)量的遠程監(jiān)測。

2)對系統(tǒng)的分析、測試表明，本系統(tǒng)架構(gòu)簡單、易于維護、功耗小、成本低、工作穩(wěn)定可靠。