一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)智慧冷鏈物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳馨洋，楊潔，周晨，楊梅，陳志鵬，李燁

南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211100

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民群眾的生活水平提高，冷鏈物流需求日益旺盛。正逢當(dāng)下萬物互聯(lián)快步發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市等理念照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，如何做到將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于冷鏈物流，做到將數(shù)據(jù)高效快捷地傳輸，是我們迫切需要解決的問題[1]。目前運(yùn)用于冷鏈物流數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄斡衂igBee、WiFi、藍(lán)牙等[2]。但上述數(shù)據(jù)傳輸手段可同時(shí)檢測(cè)的車輛少、成本較高、傳輸速度緩慢，且由于環(huán)境特殊，運(yùn)輸量大，不易于設(shè)備的維護(hù)和替換[3]，大大增加了冷鏈物流業(yè)的成本。而NB-IoT 工作于授權(quán)頻譜下，具有廣覆蓋、低功耗、大鏈接[4]、低成本的優(yōu)勢(shì)，符合冷鏈物流運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)輸車輛多、分布廣這一特殊場(chǎng)景的需求。

整體系統(tǒng)采用NB-IoT 技術(shù)，上傳采集的實(shí)時(shí)溫濕度檢測(cè)和位置顯示至云平臺(tái)，將數(shù)據(jù)精準(zhǔn)反饋至用戶終端，便于管理和對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，為智能冷鏈物流提供了一個(gè)全新的解決方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT 的智慧冷鏈物流系統(tǒng)采用了以下3 種技術(shù):傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)，使終端管理者可以遠(yuǎn)程監(jiān)控冷鏈物流途中的溫濕度數(shù)據(jù)，并采取相應(yīng)措施。本系統(tǒng)由溫濕度傳感器模塊、GPS 模塊、NB-IoT 模塊、透?jìng)髟破脚_(tái)模塊共同組成。溫濕度模塊采用工業(yè)級(jí)溫濕度傳感器SHT20，GPS 模塊型號(hào)采用支持低功耗模式的L70-R。當(dāng)多輛冷鏈物流車運(yùn)輸時(shí)，溫濕度傳感器采集車內(nèi)貨物環(huán)境的溫濕度情況，GPS 傳感器采集地理位置，并將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到NB-IoT 模塊，NB-IoT 模塊借助附近通信基站，通過CoAP 協(xié)議將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到透?jìng)髟破脚_(tái)。這時(shí)，終端管理者可通過云平臺(tái)來檢測(cè)運(yùn)輸過程中的一系列情況。整體運(yùn)行情況如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意

1.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)

NB-IoT 是當(dāng)下5G 時(shí)代萬物互聯(lián)一個(gè)重要分支[5]。2015 年9 月，3GPP 在RAN 全 會(huì)達(dá)成一致，確立NB-IoT 為窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)一標(biāo)準(zhǔn)。NBIoT 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上構(gòu)建，所需帶寬僅180 kHz，部署成本低，使用License 頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等部署方式，可以與已有的2G、3G、4G 基站上進(jìn)行部署，其成本較低[6]。NB-IoT 專門定位“低頻、小包、時(shí)延不敏感”的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，在同樣的頻段中，NB-IoT 覆蓋面積高，其借助節(jié)電模式(power discontinous reception，PSM)和超長(zhǎng)非連續(xù)接收(extended discontinous reception, eDRX)可達(dá)到10 a 以上的待機(jī)時(shí)間，其接入設(shè)備數(shù)量是當(dāng)下無線設(shè)備的50～100 倍[7]。因此，NB-IoT 技術(shù)在很多情境下被廣泛使用。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

和目前冷鏈物流行業(yè)現(xiàn)狀相比，本設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn):1)系統(tǒng)成本較低，采用廣覆蓋待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的NB-IoT 進(jìn)行無線通信，模塊無需經(jīng)常更換維修。另外模塊本身成本較低，也降低了整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的成本[8]。2)系統(tǒng)融合性高，同時(shí)采集溫度、濕度和地理位置信息，將這些信息和終端檢視人員無縫連接，做到了冷鏈物流信息化、智慧化。3)系統(tǒng)可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，對(duì)于終端檢視人員，可掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)異常的車輛可以盡快調(diào)整，避免貨物出現(xiàn)問題，對(duì)于冷鏈物流的發(fā)展有著重大的意義。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含以下硬件設(shè)備:SHT20 溫濕度傳感器模塊、L70-R 定位模塊、TFT 顯示屏、BC95 通信模塊。系統(tǒng)基于STM32L476RCT 芯片平臺(tái)，是基于高性能ARM Cortex-M4 32 位RISC 的超低功耗微控制器（microcontroller unit，MCU）。本系統(tǒng)硬件連接如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控模塊

主控MCU 為STM32L476RCT6，有充足的引腳應(yīng)對(duì)復(fù)雜的串接情況；對(duì)于溫度的檢測(cè)，系統(tǒng)采用SHT20 模塊，使用I2C 接口與MCU 通信；GPS 定位模塊型號(hào)為L(zhǎng)70-R，支持低功耗模式，GPS模塊的串口與MCU 的UART2 串口連接，可與NB網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效率的檢測(cè)。

2.2 NB-IoT 模塊

本系統(tǒng)采用移遠(yuǎn)通信的BC95 模塊，由NB101搭載，是一款高性能、低功耗的無線通信模塊。和其他無線通信模塊相比，尺寸緊湊、超低功耗、超高靈敏度、具有內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議、支持電信網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含以下軟件部分:透?jìng)髟破脚_(tái)服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和發(fā)送軟件。云平臺(tái)是第三方已有平臺(tái)，無需再開發(fā)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和發(fā)送軟件采用C 語言開發(fā)。軟件系統(tǒng)功能圖如圖3 所示。

3.1 NB 模塊組網(wǎng)

使用NB-IoT 模塊進(jìn)行通信前，需要使用AT 指令對(duì)該模塊進(jìn)行注冊(cè)以及附著網(wǎng)絡(luò)操作。具體流程如圖4 所示。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)附著部分

為保證其低功耗的優(yōu)點(diǎn)，每一步網(wǎng)絡(luò)附著指令都會(huì)有3 次嘗試次數(shù)，當(dāng)操作失敗時(shí)，操作次數(shù)會(huì)減1，直到操作次數(shù)為0，則連接失敗，需要進(jìn)行重試。

3.1.2 自動(dòng)入網(wǎng)部分

接下來，需要將BC95 模塊接入到網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)于通信協(xié)議的種類，本系統(tǒng)選擇了CoAP 協(xié)議[10]。CoAP 協(xié)議基于UDP 協(xié)議，較于HTTP，CoAP 為二進(jìn)制格式，更加緊湊，適用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。NBIoT 的3 種連接狀態(tài)（IDLE、CONNECT、PSM）下都可通過CoAP 發(fā)送上行數(shù)據(jù)，通過各自的定時(shí)器控制網(wǎng)絡(luò)連接。同時(shí)，CoAP 協(xié)議支持可靠傳輸[11]、數(shù)據(jù)重傳和塊傳輸，確保了數(shù)據(jù)的可靠性[12]。就本系統(tǒng)而言，采用CoAP 協(xié)議，更適用于NB-IoT 的低功耗特性。CoAP 協(xié)議具體消息傳輸方式如圖5 所示[13]。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程

圖 4 聯(lián)網(wǎng)工作流程

圖5 CoAP 協(xié)議傳輸方式

3.2 數(shù)據(jù)采集、接收和發(fā)送

本系統(tǒng)通過溫濕度傳感器SHT20 和GPS定位模塊L70-R 采集數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)串口接收數(shù)據(jù)。

設(shè)備上電后，通過BC95 模塊上傳數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，根據(jù)此前AT 指令自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，配置相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。如果傳輸過程中出現(xiàn)故障，也可以通過硬件按鈕手動(dòng)進(jìn)行初始化操作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

首次使用時(shí)，初始化BC95 模塊，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)與網(wǎng)絡(luò)附著操作。初始化成功后，模塊接入基站網(wǎng)絡(luò)，注冊(cè)信息云平臺(tái)上線。

隨后編譯傳感器驅(qū)動(dòng)代碼，此處驅(qū)動(dòng)程序通過TFT 顯示檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證顯示屏中傳感器的采集數(shù)據(jù)無誤。編譯測(cè)試完成后，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至BC95 模塊，數(shù)據(jù)通過BC95 模塊，采用CoAP 協(xié)議上傳到云平臺(tái)。云平臺(tái)接收到多次數(shù)據(jù)后，于終端匯總多次測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較，如圖7、8所示。

圖7 云平臺(tái)顯示溫濕度數(shù)據(jù)

圖8 云平臺(tái)顯示GPS 數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文根據(jù)當(dāng)下冷鏈物流行業(yè)面臨的情況，設(shè)計(jì)了基于NB-IoT 的智慧冷鏈物流系統(tǒng)。將檢測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)和地理位置信息，通過NB-IoT 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，建立了實(shí)時(shí)溫濕度和地理位置信息傳輸體系。通過仿真實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論:

1）NB-IoT 低功耗、海量連接場(chǎng)景、覆蓋面廣的特點(diǎn)，適用于工業(yè)化場(chǎng)景，大大降低了物流成本；所用主控芯片待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、融合度高，同時(shí)采集溫度、濕度和地理位置信息，真正做到冷鏈物流信息化、智慧化。

2）針對(duì)NB-IoT 傳輸數(shù)據(jù)安全性沒有考慮周全，若盜取NB-IoT 終端，則可隨意修改和偽造數(shù)據(jù)，對(duì)于運(yùn)輸帶來重大損失。針對(duì)NB-IoT 安全性問題，在未來的研究中，可融合進(jìn)相關(guān)密碼技術(shù)和認(rèn)證技術(shù)，使得本系統(tǒng)的使用更加安全可靠。