基于NB-IoT 的酒窖环境远程监测系统

南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016

酒在我国有着悠久的历史和浓厚的文化底蕴，酒窖是酿酒时用于重要且漫长的发酵和陈酿工艺的场所。酒窖的温度、湿度和人工照明强度等环境因素对酒的品质有着极大的影响，一般温度正常保持在10～16 ℃，理想的湿度在55%～75%，人工照明强度在100 Lx 以下；同时，酒精浓度和空气质量直接影响作业人员的活动[1−2]。因此，对酒窖环境进行监测尤为必要。起初的酒窖环境监测系统采用有线方式采集数据[3−4]，需要现场布线，结构复杂、维护成本较高，需要现场查看监测数据。近年来，随着无线通信技术的发展，ZigBee等短距离无线通信技术被应用于酒窖环境监测系统[5−8]，实现了数据无线采集和上传云端，但需要自组网，仍然存在系统结构复杂、维护成本高的问题。

窄带物联网(narrow band internet of things,NBIoT)作为近几年问世的一种低功耗广域网(low power wide area network,LPWAN)无线通信技术，直接使用授权频谱的运营商网络，无需自组网，不仅结构简单、节省投资、便于维护，并且相比于ZigBee 等无线通信技术，具有深度覆盖、强穿透性的特点[9]，成为面向智能抄表、智能交通、智能消防、智慧农业、智慧家居、远程环境监控等应用领域的新一代无线通信技术[10]。针对远程环境监控，赵远超[11]、潘磊磊[12]、Hang 等[13]分别设计了基于NB-IoT 的仓储环境远程监控系统、农业环境监控系统、室内环境监测系统。

酒窖一般处于地下，对监测信号覆盖的可靠性提出很高的要求，因此，结合酿酒工艺的环境需求，充分利用NB-IoT 技术优点，本文提出了一种将NB-IoT 通信技术应用于酒窖环境监测的系统架构，实现了采用温湿度、光敏、乙醇、空气质量等传感器实时监测酒窖温度、湿度、光照强度、酒精浓度、空气质量的系统硬件结构，并开发了监测系统的应用软件。

1 系统架构设计

根据对酒窖的温度、湿度、光照强度、酒精浓度和空气质量进行实时监测，以及异常现场情况的报警、数据远程上报和管理的需求，本文设计了采用信息服务“云−管−端”的监测系统新架构[14−16]，如图1 所示。“端”即监测终端，是系统逻辑架构的底层，监测终端主要实现数据采集与显示、异常报警、数据上报等功能。“管”指NB-IoT 网络，负责“端”与“云”之间数据流的传输控制，由运营商搭建、管理，不必像采用ZigBee、LoRa、Sigfox无线通信技术那样自建网络。“云”指IoT 云平台，具有数据接收、存储、管理功能，以及数据可视化、下行控制、告警等功能。

本文采用中国移动OneNET 云平台实现数据的接收、存储、管理与显示。可见，采用“云−管−端”的系统架构可以使酒窖环境监测系统标准化、模块化，不仅有利于系统的快速部署、更换和配置所需设备，使系统便于维护，而且有利于降低系统开发难度。

本系统首先由各监测终端对酒窖环境的温湿度、光照强度、乙醇浓度、空气质量，以及电源电压等数据进行采集，并检测数据是否异常，然后通过液晶显示器(liquid crystal display,LCD)显示数据及其状态，若数据出现异常，则通过蜂鸣器报警。最后，各监测终端通过NB-IoT网络将数据发送给OneNET 云平台。由于采用了NB-IoT+One NET 云平台的技术,技术人员可不在酒窖现场进行环境监测，而是通过电脑或手机远程实时登录OneNET 云平台查看酒窖环境参数，一旦在报警界面查看到存在报警，则可立即采取处理措施。例如收到酒精浓度异常报警时，表明酒窖空气中酒精浓度超标，技术人员可立即查找原因，采取处理措施。

图1 酒窖环境监测系统“云-管-端”示意

2 监测终端硬件设计

本系统监测终端放置于酒窖内，其个数主要根据酒窖的面积和各种传感器硬件性能确定。监测终端通过传感器实现酒窖的温度、湿度、光照强度、乙醇浓度、空气质量等数据的采集，同时通过电压采集电路采集电源电压实现低电预警，通过搭载的LCD 显示屏实现数据实时显示；通过蜂鸣器实现数据状态异常现场报警；通过NB-IoT 网络定时向IoT 云平台上报数据。

监测终端包括微控制器(microcontroller unit,MCU)最小系统、NB-IoT 通信模块、温湿度传感器、光敏传感器、乙醇传感器、空气质量传感器、电压采集电路、LCD 显示屏、Flash、发光二极管(light emitting diode,LED)指示灯、蜂鸣器以及电源模块，其硬件结构如图2 所示。

图2 监测终端硬件结构示意

MCU 采用意法半导体公司开发的低功耗、高性能STM32F103 芯片，基于ARM 32 位Cortex-M3 CPU 内核，支持TIM、ADC、SPI、I2C 和USART 等外设接口。NB-IoT 通信模块是由NB-IoT 模组、电源、串口、SIM 卡座、复位、网络状态指示灯、天线等电路组成。采用中国移动的工作频段为Band3、Band5、Band8 的工业级NB-IoT 模组M5310-A，无针脚芯片封装(leadless chip carriers,LCC)，尺寸仅为19 mm×18.4 mm×2.2 mm，最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，同时M5310-A 支持eSIM 和OneNET 云平台协议。NB-IoT 通信模块通过通用同步/异步串行接收/发送器(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter,USART)与MCU 进行数据通信。温湿度传感器选用超低能耗的AM2302 高精度数字温湿度复合传感器，采用标准的单总线接口，仅需通过通用输入/输出口(general-purpose input/output,GPIO)与MCU 连接。光敏电阻传感器YL-38、乙醇传感器MQ-3、空气质量传感器MQ-135 均为电压模拟量输出，可直接通过ADC 接口与MCU 连接。LCD 显示屏选用2.8 寸TFTLCD，通过GPIO 总线与MCU 连接。Flash 选用华邦公司推出的容量为128 MB 的SPI Flash 芯片W25Q128，通过SPI 接口与MCU 相连。

对于供电电源模块，AM2302 温湿度传感器、YL-38 光敏电阻传感器、MQ-3 乙醇传感器以及MQ-135 空气质量传感器额定工作电压均为5 V，NB-IoT 通信模组额定工作电压为3.6 V，MCU、LCD 显示屏、Flash、LED 指示灯以及蜂鸣器工作电压为3.3 V。采用3.6 V 直流电源供电，先通过MC34063 组成的升压电路输出9.0 V，然后通过AM1114-5.0 组成的降压电路输出5.0 V，再分别通过MIC29302WU、AMS1114-3.3 组成的降压电路输出3.6 V 和3.3 V。

3 软件设计

图3 为监测终端的软件流程。监测终端上电后，首先对硬件初始化，包括外设接口参数配置，RTC、数据采集传感器、LCD、NB-IoT 模块等初始化。之后检测NB-IoT 模组是否成功附着网络。网络附着成功后，为了实现监测终端与IoT 云平台的数据交互，监测终端必须接入IoT 云平台。本文采用中国移动的OneNET 平台，监测终端接入OneNET 平台流程如图4 所示。

图3 软件流程

图4 监测终端对接OneNET 平台流程

接入协议采用LwM2M 协议。LwM2M(轻量级M2M)协议是OMA(open mobile alliance)国际标准化组织为了解决资源受限类终端的管理问题和M2M 业务通信问题研发的终端管理协议[17]。LwM2M 规范定义了每个对象对应客户端的某个特定功能实体Object，例如温度传感器、湿度传感器等，用Object_ID 来表示不同的对象。Instance代表着一个Object 的不同实例，例如温度传感器0、温度传感器1 等，用Instance_ID 表示不同实例的编号。Resource 代表着一个Instance 的不同资源，例如温度传感器0 的温度值，用Resource_ID表示不同的资源。为了提高程序的可移植性，OMA定义的标准资源模型，即规范定义了Object_ID、Instance_ID、Resource_ID[18−20]。根据标准资源模型，本系统的对象实例资源如表1 所示。根据OneNET平台接入流程以及资源模型，系统软件完成创建通信实例、上传对象实例资源、发送登录请求并检测登录结果。

表1 对象实例资源列表

监测终端接入IoT 云平台后，监测终端进入正常工作状态。NB-IoT 为了降低待机功耗，采用了节电模式(power saving mode,PSM)，未上传数据时，NB-IoT 模块处于深度休眠状态。本系统每隔一定时间进行一次数据采集，时间间隔可根据实际情况设定。因此，每次上报数据前，监测终端NB-IoT 模块必须重新登录云平台。通过传感器采集数据后，先通过NB-IoT 进行数据上报，然后刷新LCD 上的数据，并判断数据是否异常，若数据异常，则LCD 将显示数据异常，同时蜂鸣器将报警。数据上报至OneNET 云平台后，OneNET云平台通过对象资源模型保存数据。为了实现数据可视化，本文采用OneNET 应用管理模块开发酒窖环境监测系统应用管理平台。用户仅需通过手机或电脑登录此平台，即可实现远程实时查看酒窖环境监测现场状态。

4 系统测试

为了保障系统的实用性，本文对其功能的准确性和完整性进行测试，包括数据采集、LCD 显示、异常报警和数据远程上报、管理、显示等功能的测试。测试主要通过监测终端酒窖现场测试和酒窖监测管理平台远程测试。

首先，将本监测终端放置于酒窖中对其进行现场测试。图5 所示为本系统的一个监测终端，搭载有NB-IoT 通信模块、温湿度传感器、光敏电阻传感器、乙醇传感器、空气质量传感器等。打开电源，监测终端便进行硬件初始化、监测NBIoT 网络附着状态，并接入云平台。然后，监测终端便进入正常的环境监测阶段。图6 为监测终端1 的LCD 显示屏，分别对监测终端采集的温度、湿度、光照强度、乙醇浓度、空气质量、电压以及实时时间等数据及其状态进行显示。温度正常范围为10～16 ℃，光照强度正常小于100 Lx，其实际值均超出正常范围，因此，LCD 显示其状态为异常，并且终端启动蜂鸣器报警。

图5 监测终端

图6 LCD 显示

之后进行酒窖环境监测管理平台远程监测测试。图7 为通过OneNET 物联网云平台搭建的酒窖环境监测管理平台，实现对30 个监测终端的管理，同时可通过每个监测终端的状态显示图标查看异常报警。同时可通过“查看详情”按钮查看每个监测终端详细数据，如图8 所示，为监测终端1 的详细数据显示界面，可通过仪表盘实时查看温度、湿度、光照强度、乙醇浓度、空气质量、电压等数值，同时可以通过曲线图查看其变化趋势。

图7 酒窖环境监测管理平台

图8 监测终端1 显示界面

经过以上测试，监测终端数据采集、数据显示、异常报警等功能正常，达到设计要求。同时监测终端与云平台的交互功能准确、稳定，系统完成一次数据采集、数据显示、异常判断、数据上报时间不超过20 s，说明本酒窖环境监测系统功能性达到预期要求，具有实用性。

5 结论

酒在我国有着悠久的历史和浓厚的文化底蕴，而酒窖是酿酒过程中用于发酵和储存的地方，酒窖环境对酒的品质具有重大的影响。

1)本文基于“云−管−端”物联网信息服务架构，采用NB-IoT 通信技术设计了一套酒窖环境监测系统，实现对酒窖温度、湿度、光照强度、乙醇浓度、空气质量的远程监测。

2)对系统的分析、测试表明，本系统架构简单、易于维护、功耗小、成本低、工作稳定可靠。