结合NB-IoT网络通讯技术、传感器技术、视频监控技术和云计算技术等，给出了一种基于NB-IoT技术的粮仓环境监测及追踪系统设计。系统采集了粮仓中各个区域的温度、湿度、二氧化碳、氮气探测器等，NB-IoT通讯模组负责将采集的数据发送至系统平台，仓管人员通过移动终端访问平台数据，实时掌握当前粮仓各区域的各项环境参数，并可以第一时间掌握异常数据所发生的粮仓廒间地址，经过系统工程开发实施，验证了基于NB-IoT的粮仓环境监控及追踪系统具有一定实用性。

粮食存储过程中首先要对温度和湿度进行测量和控制，为了确保粮仓低氧或无氧环境条件保存，还需要向粮仓中通入氮气并对对氮气浓度进行监测，一旦出现氮气浓度低于限定值进行及时报警某粮仓区域有问题。目前在远程监控方面有基于4G移动通讯网络实现了烟雾或红外人体等传感模块与GPRS模块硬件集成化，对传感器数据进行统一编码与发送，这种监控方案在检测传感器数量大的时候成本也很高；也有基于ZigBee技术通过终端节点、路由节点和协调器节点实现远程监控，但当应用于粮仓环境监控上会存在网络不稳定、传输干扰大等问题。针对以上情况，结合NB-IoT网络的远距离、低功耗、高性能、支持大规模组网特性，我们给出一种基于NB-IoT的粮仓环境监测及追踪系统设计。

1 系统总体结构设计

本系统针对粮仓环境监测和追踪需求进行设计。系统监测每个廒间的温湿度和二氧化碳、氮气、氧气等气体浓度数据，需要在每个廒间堆粮线上安装气体监测装置，堆粮线以下设置若干温湿度监测点。传感器通过I/O通讯方式与NB-IoT通讯模组连接。所有检测到廒间的温湿度和其他气体浓度数据均通过NB-IoT通讯模组将数据上传到系统平台。每个NB-IoT通讯模组映射一个粮仓廒间地址，当传感器采集数据有异常时，系统可根据此地址映射表追踪到异常数据所产生的位置，并将该位置推送至监控终端。系统层次架构图如图1所示，包含应用层、服务层、硬件控制层和底层硬件层。在服务层主要部署有服务端程序、数据库和服务端的API接口程序。硬件控制层包括负责NB-IoT网络通信的eNodeB、EPC核心网，以及负责监控设备接入所需的网络交换机，eNodeB承担空口接入处理，和每个廒间的NB-IoT通讯模组进行通讯，同时通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接。交换机下连接的是各路监控设备，系统监控模块可以查看到每个廒间的监控设备采集的实时视频数据和历史视频数据。

图1 系统层次架构图

2 系统数据采集终端硬件电路设计

系统的数据采集终端主要包括传感器模块、控制器模块和NBIoT模组，本系统采用STM32作为中央控制器，采用BC95模块作为NB-IoT通讯模组。传感器把采集到的数据发送给中央控制器，中央控制器将采集到的数据通过NB-IoT通讯模组发送出去。

2.1 NB-IoT通讯模组电路设计

BC95模块设有两个串口：主串口和调试串口，其作为DCE（Data Communication Equipment），并按照传统的DCE-DTE（Data Terminal Equipment）方式连接。主串口TXD引脚用于发送数据到DTE设备的RXD端，RXD引脚用于从DTE设备TXD端接收数据，RI引脚为振铃提示（DCE有URC输出或者短消息接收时会发送信号通知DTE）。BC95的主串口与STM32连接方式示意图如图2所示。系统为了降低串口功耗，在模块和主机的串口连接上加入1KΩ以上的电阻，用于降低串口电流，增加了3.3V电平转换电路，电平转换电路如图3所示。

图2 主串口连接示意图

图3 3.3V 电平转换电路

2.2 控制器模块驱动设计

系统终端上电后，首先MCU初始化、启动LoRa模块，然后检测NB网络信号等待加入网络，如加入网络成功，则读取传感器模块数据。本采集终端系统设定每隔5s采集一次传感器值，然后判断是否收到主机的读取指令，收到则将传感器数据通过NB-IoT网络发送至系统服务端。控制器模块驱动程序流程图如图4所示。

图4 控制器模块驱动程序流程图

图5 廒间数据监测界面

3 系统测试

为了检验本文给出的粮仓环境监测系统及数据采集终端硬件设计的有效性，将本系统的10个氮气采集终端节点安装在粮仓不同廒间，系统服务端部署在阿里云ECS.S6系列2核4GB服务器中，Windows Server2012R2数据中心版（64位）、Sqlserver2012R2的环境中。通过移动端APP可以查询到10个廒间数据，廒间数据监测界面如图5所示，其中东1库区1号廒间氮气浓度为/L，其余温度、湿度、二氧化碳和氧气没有布置测试传感器，数据均为0。

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