随着我国经济社会发展和人民群众的生活水平提高,冷链物流需求日益旺盛。正逢当下万物互联快步发展,智慧农业、智慧城市等理念照进现实,如何做到将物联网技术运用于冷链物流,做到将数据高效快捷地传输,是我们迫切需要解决的问题[1]。目前运用于冷链物流数据传输的手段有ZigBee、WiFi、蓝牙等[2]。但上述数据传输手段可同时检测的车辆少、成本较高、传输速度缓慢,且由于环境特殊,运输量大,不易于设备的维护和替换[3],大大增加了冷链物流业的成本。而NB-IoT工作于授权频谱下,具有广覆盖、低功耗、大链接[4]、低成本的优势,符合冷链物流运输环境复杂、运输车辆多、分布广这一特殊场景的需求。
整体系统采用NB-IoT技术,上传采集的实时温湿度检测和位置显示至云平台,将数据精准反馈至用户终端,便于管理和对突发情况进行及时调整,为智能冷链物流提供了一个全新的解决方案。
1 系统架构基于NB-IoT的智慧冷链物流系统采用了以下3种技术:传感器技术、物联网无线远程通信技术和云平台技术,使终端管理者可以远程监控冷链物流途中的温湿度数据,并采取相应措施。本系统由温湿度传感器模块、GPS模块、NB-IoT模块、透传云平台模块共同组成。温湿度模块采用工业级温湿度传感器SHT20,GPS模块型号采用支持低功耗模式的L70-R。当多辆冷链物流车运输时,温湿度传感器采集车内货物环境的温湿度情况,GPS传感器采集地理位置,并将这些数据通过串口发送到NB-IoT模块,NB-IoT模块借助附近通信基站,通过CoAP协议将这些数据发送到透传云平台。这时,终端管理者可通过云平台来检测运输过程中的一系列情况。整体运行情况如图1所示。
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NB-IoT是当下5G时代万物互联一个重要分支[5]。2015年9月,3GPP在RAN全会达成一致,确立NB-IoT为窄带蜂窝物联网的独一标准。NB-IoT在蜂窝网络的基础上构建,所需带宽仅180 kHz,部署成本低,使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波等部署方式,可以与已有的2G、3G、4G基站上进行部署,其成本较低[6]。NB-IoT专门定位“低频、小包、时延不敏感”的物联网业务,在同样的频段中,NB-IoT覆盖面积高,其借助节电模式(power discontinous reception,PSM)和超长非连续接收(extended discontinous reception, eDRX)可达到10 a以上的待机时间,其接入设备数量是当下无线设备的50~100倍[7]。因此,NB-IoT技术在很多情境下被广泛使用。
1.2 系统优点和目前冷链物流行业现状相比,本设计具有如下优点:1)系统成本较低,采用广覆盖待机时间长的NB-IoT进行无线通信,模块无需经常更换维修。另外模块本身成本较低,也降低了整个检测系统的成本[8]。2)系统融合性高,同时采集温度、湿度和地理位置信息,将这些信息和终端检视人员无缝连接,做到了冷链物流信息化、智慧化。3)系统可进行实时数据采集和数据发送,对于终端检视人员,可掌握实时数据,对于数据异常的车辆可以尽快调整,避免货物出现问题,对于冷链物流的发展有着重大的意义。
2 系统硬件设计本系统包含以下硬件设备:SHT20温湿度传感器模块、L70-R定位模块、TFT显示屏、BC95通信模块。系统基于STM32L476RCT芯片平台,是基于高性能ARM Cortex-M4 32位RISC的超低功耗微控制器(microcontroller unit,MCU)。本系统硬件连接如图2所示。
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主控MCU为STM32L476RCT6,有充足的引脚应对复杂的串接情况;对于温度的检测,系统采用SHT20模块,使用I2C接口与MCU通信;GPS定位模块型号为L70-R,支持低功耗模式,GPS模块的串口与MCU的UART2串口连接,可与NB网络结合,实现数据高效率的检测。
2.2 NB-IoT模块本系统采用移远通信的BC95模块,由NB101搭载,是一款高性能、低功耗的无线通信模块。和其他无线通信模块相比,尺寸紧凑、超低功耗、超高灵敏度、具有内嵌丰富的网络服务协议、支持电信网络通信标准等优点[9]。
3 系统软件设计本系统包含以下软件部分:透传云平台服务器软件、数据监测和发送软件。云平台是第三方已有平台,无需再开发,数据监测和发送软件采用C语言开发。软件系统功能图如图3所示。
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使用NB-IoT模块进行通信前,需要使用AT指令对该模块进行注册以及附着网络操作。具体流程如图4所示。
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为保证其低功耗的优点,每一步网络附着指令都会有3次尝试次数,当操作失败时,操作次数会减1,直到操作次数为0,则连接失败,需要进行重试。
3.1.2 自动入网部分接下来,需要将BC95模块接入到网络中。对于通信协议的种类,本系统选择了CoAP协议[10]。CoAP协议基于UDP协议,较于HTTP,CoAP为二进制格式,更加紧凑,适用于低功耗物联网场景。NB-IoT的3种连接状态(IDLE、CONNECT、PSM)下都可通过CoAP发送上行数据,通过各自的定时器控制网络连接。同时,CoAP协议支持可靠传输[11]、数据重传和块传输,确保了数据的可靠性[12]。就本系统而言,采用CoAP协议,更适用于NB-IoT的低功耗特性。CoAP协议具体消息传输方式如图5所示[13]。
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本系统通过温湿度传感器SHT20和GPS定位模块L70-R采集数据,通过相应串口接收数据。
设备上电后,通过BC95模块上传数据至云平台,根据此前AT指令自动进行网络初始化,配置相关网络参数。如果传输过程中出现故障,也可以通过硬件按钮手动进行初始化操作。
4 系统测试首次使用时,初始化BC95模块,进行网络注册与网络附着操作。初始化成功后,模块接入基站网络,注册信息云平台上线。
随后编译传感器驱动代码,此处驱动程序通过TFT显示检测结果,验证显示屏中传感器的采集数据无误。编译测试完成后,通过串口将数据传输至BC95模块,数据通过BC95模块,采用CoAP协议上传到云平台。云平台接收到多次数据后,于终端汇总多次测量数据,进行比较,如图7、8所示。
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本文根据当下冷链物流行业面临的情况,设计了基于NB-IoT的智慧冷链物流系统。将检测到的温湿度数据和地理位置信息,通过NB-IoT技术进行数据传输,建立了实时温湿度和地理位置信息传输体系。通过仿真实验,得出如下结论:
1)NB-IoT低功耗、海量连接场景、覆盖面广的特点,适用于工业化场景,大大降低了物流成本;所用主控芯片待机时间长、融合度高,同时采集温度、湿度和地理位置信息,真正做到冷链物流信息化、智慧化。
2)针对NB-IoT传输数据安全性没有考虑周全,若盗取NB-IoT终端,则可随意修改和伪造数据,对于运输带来重大损失。针对NB-IoT安全性问题,在未来的研究中,可融合进相关密码技术和认证技术,使得本系统的使用更加安全可靠。
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