王麗俐 毛雯雯 施炯

摘 要：針對(duì)物流企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)中?；翻h(huán)境監(jiān)測(cè)存在的諸多弊端，以溫度、濕度、光強(qiáng)、煙霧、可燃性氣體和氣壓這六類環(huán)境特征參數(shù)為對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(jì)了一套低功耗?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將檢測(cè)到的倉(cāng)庫(kù)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L(zhǎng)WM2M協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到中國(guó)移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，一方面可以在云端將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn);另一方面可以通過手機(jī)端的微信小程序查看數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行反饋控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該危化品倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的精度和較低的誤報(bào)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(cāng)儲(chǔ)工作的效率，可有效避免意外發(fā)生和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)推進(jìn)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(cè);窄帶物聯(lián)網(wǎng);OneNET平臺(tái);微信小程序;智能化

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）07-00-05

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)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(yùn)行質(zhì)量，?；肺锪鞴疽巡辉偈褂脗鹘y(tǒng)的物流管理技術(shù)。?；穫}(cāng)儲(chǔ)作為物流各環(huán)節(jié)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，其所處環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測(cè)對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)?；返陌踩[患起到了關(guān)鍵作用。危險(xiǎn)化學(xué)品的物理及化學(xué)性質(zhì)與一般存儲(chǔ)物品不同，也正因?yàn)槿绱?，?；吩谡麄€(gè)物流過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)均與普通貨物存在著極大差別。自天津港區(qū)?；穫}(cāng)庫(kù)爆炸事件發(fā)生后，危化品的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用、處置各環(huán)節(jié)受到了國(guó)家各級(jí)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(xiǎn)預(yù)警的研究剛剛起步，許多理論問題有待進(jìn)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(huì)為經(jīng)濟(jì)造成損失，更對(duì)自然環(huán)境造成了巨大污染。

因此，針對(duì)不同類別危化品的物理特性對(duì)其特征參量進(jìn)行探測(cè)已成為目前?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要研究方向。為了改善現(xiàn)有?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)誤測(cè)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?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象，利用數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。通過運(yùn)營(yíng)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(diǎn)布設(shè)在倉(cāng)庫(kù)的不同位置，無需搭建私有網(wǎng)絡(luò)，并通過OneNET平臺(tái)與微信小程序?qū)崟r(shí)觀測(cè)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(jì)

1.1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為硬件終端、OneNET平臺(tái)、手機(jī)微信小程序三部分，其中硬件終端與OneNET平臺(tái)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信，手機(jī)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?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cāng)儲(chǔ)終端采集數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有OneNET平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取采集的數(shù)據(jù)，在云平臺(tái)動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析，可以得到物品溫度、濕度、光強(qiáng)和煙霧等信息，從而對(duì)意外狀況做出及時(shí)的應(yīng)急處理或者對(duì)?；愤M(jìn)行調(diào)控。通過設(shè)計(jì)微信小程序，可以將微信作為入口，快速獲取?；穫}(cāng)儲(chǔ)終端的信息，方便用戶了解貨物的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

1.3 ?；穫}(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

不同類型的?；穼?duì)于儲(chǔ)存環(huán)境的需求不同，表1所列為不同類別危化品存儲(chǔ)狀態(tài)參量。

?；繁O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心，對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)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?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，最需要解決的是如何快速準(zhǔn)確地獲取?；匪幁h(huán)境的參數(shù)，從而對(duì)處于緊急情況下的?；愤M(jìn)行調(diào)度，得到?；匪帬顟B(tài)信息，便于實(shí)時(shí)報(bào)警。?；穫}(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)與通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人、物的緊密聯(lián)系與統(tǒng)一配合，從而大幅提高?；穫}(cāng)儲(chǔ)物流的效率。

?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。

（1）在倉(cāng)庫(kù)中的不同位置安裝多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括溫度、濕度、光強(qiáng)、煙霧、可燃性氣體和氣壓傳感器，通過倉(cāng)庫(kù)中危化品所需監(jiān)測(cè)的物理狀況將其他傳感器節(jié)點(diǎn)休眠。

（2）待采集到倉(cāng)庫(kù)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(jìn)行展現(xiàn);另一方面，可以通過手機(jī)端的微信小程序?qū)崟r(shí)查看數(shù)據(jù)，同時(shí)反饋至控制倉(cāng)庫(kù)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(diǎn)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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?；穬?chǔ)存?zhèn)}庫(kù)的體積有一定的限度，通常無需路由節(jié)點(diǎn)的布置，所以可選只包含終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的星形網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點(diǎn)：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(diǎn)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

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

在該危化品倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(gè)不同的傳感器對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(jì)

在危化品倉(cāng)儲(chǔ)終端節(jié)點(diǎn)處安裝該監(jiān)測(cè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)路線存在一定的差異，因此對(duì)該危化品倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的最佳選擇。NB-IoT采用新的獨(dú)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(jì)

3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)終端位于危化品存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)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(shí)，在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫度、濕度、煙霧或光強(qiáng)等指標(biāo)超過警戒值時(shí)將發(fā)出警報(bào)。?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境終端設(shè)計(jì)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(duì)倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)?；匪幍沫h(huán)境參數(shù)的判斷更加準(zhǔn)確。當(dāng)危化品倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境與正常環(huán)境參數(shù)相比發(fā)生突變時(shí)，需要溫度、濕度、煙霧、光強(qiáng)、可燃性氣體以及氣壓傳感器同時(shí)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(duì)該區(qū)域的環(huán)境變化進(jìn)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(jìn)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(bào)，同時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(shí)延小的網(wǎng)絡(luò)，通過采用重傳和低階調(diào)制等機(jī)制增強(qiáng)了覆蓋率，同時(shí)NB-IoT支持低功耗選項(xiàng)，可以借助節(jié)電模式和超長(zhǎng)非連續(xù)模式接收信息，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后會(huì)自動(dòng)接入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，可以在MCU上直接使用AT指令向OneNET平臺(tái)發(fā)起注冊(cè)、上傳數(shù)據(jù)等請(qǐng)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(jī)引腳，方便擴(kuò)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(diǎn)如圖7所示。

3.2 云平臺(tái)應(yīng)用

3.2.1 進(jìn)入開發(fā)者中心并創(chuàng)建產(chǎn)品

注冊(cè)和創(chuàng)建OneNET賬號(hào)并且登錄后，OneNET平臺(tái)的主頁(yè)右上角變成開發(fā)者中心，點(diǎn)擊開發(fā)者中心就能進(jìn)入用戶的開發(fā)者頁(yè)面。OneNET用戶主頁(yè)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?；氐介_發(fā)者頁(yè)面，可以看到已有一個(gè)產(chǎn)品需要添加設(shè)備。點(diǎn)擊創(chuàng)建的產(chǎn)品名字，進(jìn)入設(shè)備頁(yè)面，此處可以看到“添加設(shè)備”按鈕，點(diǎn)擊后彈出如圖10所示頁(yè)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(diǎn)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(tái)上可以很方便地創(chuàng)建一個(gè)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(yè)面對(duì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)進(jìn)行直觀展示。創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用模板后，用戶便可在應(yīng)用管理頁(yè)面找到已經(jīng)創(chuàng)建的應(yīng)用，點(diǎn)擊應(yīng)用的名字就可以進(jìn)入應(yīng)用查看頁(yè)面，點(diǎn)擊“編輯”按鈕可以編輯該應(yīng)用的內(nèi)容，編輯應(yīng)用頁(yè)面如圖11所示?？梢栽诰庉媴^(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(diǎn)數(shù)目等，編輯完成后點(diǎn)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(cè)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(cè)的設(shè)備，然后點(diǎn)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(jì)

4.1 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)選用Keil軟件，Keil工具界面簡(jiǎn)潔友好，使用簡(jiǎn)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(jìn)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(cè)網(wǎng)絡(luò)并連接到OneNET平臺(tái)后進(jìn)行資源注冊(cè)，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(bào)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(tái)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中如果接收到OneNET平臺(tái)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(jì)

將云平臺(tái)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(shí)對(duì)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(jìn)行開發(fā)，借助微信平臺(tái)，只需要一次開發(fā)就能同時(shí)在各手機(jī)系統(tǒng)上使用，無需下載應(yīng)用，只需掃描二維碼即可使用。

?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cāng)庫(kù)內(nèi)的區(qū)域，下面則分別是監(jiān)測(cè)到該位置所處環(huán)境的溫度、濕度、光強(qiáng)、煙霧、可燃?xì)怏w濃度和氣壓，用戶可以通過對(duì)應(yīng)模塊下的數(shù)字來實(shí)時(shí)觀察該區(qū)域環(huán)境的情況。最下面兩個(gè)按鈕分別表示打開預(yù)警和關(guān)閉警報(bào)，點(diǎn)擊后可以打開或關(guān)閉蜂鳴器以及警示燈，并且這兩個(gè)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(cè)蜂鳴器和警示燈是否打開。

5 結(jié) 語(yǔ)

本論文研究設(shè)計(jì)了基于NB-IoT的?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在解決高價(jià)值、高危險(xiǎn)度貨物在儲(chǔ)存中自身的狀態(tài)信息是否正常，對(duì)危化品狀態(tài)信息進(jìn)行透明化處理等問題。目前部分危化品企業(yè)的緊急報(bào)警系統(tǒng)、?；穫}(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各成一體，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)危化品倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。且當(dāng)前倉(cāng)儲(chǔ)物流主要存在終端難維修和難維護(hù)，以及傳感器和?；穫}(cāng)儲(chǔ)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(gè)倉(cāng)儲(chǔ)物流周期的監(jiān)測(cè)。本文提出新的?；穫}(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效解決上述問題，由ZigBee感知節(jié)點(diǎn)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(duì)意外狀況進(jìn)行及時(shí)處理，提高危險(xiǎn)化學(xué)品的安全監(jiān)管信息化水平。

參 考 文 獻(xiàn)

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