王麗俐 毛雯雯 施炯

摘 要：針對物流企業(yè)倉儲中?；翻h(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、傳感器技術、通信技術，通過傳感器特征參數(shù)的數(shù)據(jù)融合算法設計了一套低功耗?；穫}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?；穫}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?；肺锪鱾}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，?；肺锪鞴疽巡辉偈褂脗鹘y(tǒng)的物流管理技術。?；穫}儲作為物流各環(huán)節(jié)的重點關注對象，其所處環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測對于及時發(fā)現(xiàn)?；返陌踩[患起到了關鍵作用。危險化學品的物理及化學性質(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，?；返纳a(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)事故風險預警的研究剛剛起步，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?；返奈锢硖匦詫ζ涮卣鲄⒘窟M行探測已成為目前?；穫}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)測設計。通過運營商的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）網(wǎng)絡，可以將本系統(tǒng)終端節(jié)點布設在倉庫的不同位置，無需搭建私有網(wǎng)絡，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)設計

1.1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)設計

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)絡通信，手機微信小程序通過HTTP協(xié)議獲取OneNET服務器的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)總體技術架構(gòu)

基于NB-IoT的?；穫}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急處理或者對危化品進行調(diào)控。通過設計微信小程序，可以將微信作為入口，快速獲取?；穫}儲終端的信息，方便用戶了解貨物的實時動態(tài)。系統(tǒng)總體技術架構(gòu)如圖2所示。

1.3 ?；穫}儲物流環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務流程

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?；反鎯顟B(tài)參量。

危化品監(jiān)測系統(tǒng)中的軟件設計是系統(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?；穫}儲環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，最需要解決的是如何快速準確地獲取?；匪幁h(huán)境的參數(shù)，從而對處于緊急情況下的?；愤M行調(diào)度，得到?；匪帬顟B(tài)信息，便于實時報警。危化品倉儲物流環(huán)境遠程監(jiān)測需要結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡、地理信息技術和現(xiàn)代計算機與通信技術，實現(xiàn)人、物的緊密聯(lián)系與統(tǒng)一配合，從而大幅提高?；穫}儲物流的效率。

?；穫}儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計流程。

（1）在倉庫中的不同位置安裝多個監(jiān)測設備，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?；匪璞O(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)的設計

ZigBee支持的網(wǎng)絡類型主要有三種，即星型網(wǎng)絡、樹型網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡[1-3]。由于?；穬Υ?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。

終端節(jié)點：主要負責信息的采集工作，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)絡中可以有多個終端節(jié)點設備。

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

在該?；穫}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，每個不同的傳感器對相應的數(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)絡將所有數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)關。該設計中的無線傳感器網(wǎng)絡如圖4所示。

2.2 NB-IoT通信傳輸系統(tǒng)設計

在?；穫}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，網(wǎng)關將獲取的數(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應用架構(gòu)如圖5所示。

由于實現(xiàn)技術路線存在一定的差異，因此對該?；穫}儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)而言，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術是實現(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使整體的網(wǎng)絡技術更加健壯、成熟、穩(wěn)定，更適合于現(xiàn)階段萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡技術需求[4]。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 網(wǎng)關節(jié)點設計

倉儲終端位于危化品存儲倉庫內(nèi)的不同位置，主要負責數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。同時，在倉庫內(nèi)溫度、濕度、煙霧或光強等指標超過警戒值時將發(fā)出警報。危化品倉儲環(huán)境終端設計如圖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)的判斷更加準確。當?；穫}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服務器;如果未超出，則通過M5310模塊發(fā)送信息給OneNET服務器進行實時監(jiān)測。并且終端設備還可以接收OneNET服務器發(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，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)關節(jié)點上電后會自動接入NB-IoT網(wǎng)絡，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)關節(jié)點如圖7所示。

3.2 云平臺應用

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 綁定設備

在創(chuàng)建完產(chǎn)品后，用戶需綁定終端設備?；氐介_發(fā)者頁面，可以看到已有一個產(chǎn)品需要添加設備。點擊創(chuàng)建的產(chǎn)品名字，進入設備頁面，此處可以看到“添加設備”按鈕，點擊后彈出如圖10所示頁面。為終端設備設置命名，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”即可添加終端設備。

3.2.3 創(chuàng)建應用

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

3.2.4 數(shù)據(jù)顯示

在終端設備完成資源注冊后，用戶可以獲取各傳感器數(shù)據(jù)，在左邊側(cè)欄里選擇設備管理就可以看到已注冊的設備，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)軟件設計

4.1 網(wǎng)關程序設計

網(wǎng)關軟件開發(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程序，如圖13所示。系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)外設的初始化和M5310模塊的初始化，在M5310成功注冊網(wǎng)絡并連接到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?；匪幁h(huán)境的狀態(tài)，及時對意外狀況做出反應。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、可燃氣體濃度和氣壓，用戶可以通過對應模塊下的數(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警和關閉警報，點擊后可以打開或關閉蜂鳴器以及警示燈，并且這兩個開關也是蜂鳴器和警示燈的狀態(tài)指示開關，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?；窢顟B(tài)信息進行透明化處理等問題。目前部分?；菲髽I(yè)的緊急報警系統(tǒng)、?；穫}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?；穫}儲環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。且當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?；穫}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，提高危險化學品的安全監(jiān)管信息化水平。

參 考 文 獻

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