一种基于窄带物联网粮仓温度监测系统和方法与流程

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种基于窄带物联网粮仓温度监测系统和方法。

背景技术：

在现有的粮仓温度监测控制系统，使用温度传感器对粮仓内的温度进行检测，进而将检测的信号通过无线发送的方式传输给控制终端，进而对粮仓内的温度进行检测，在温度较高时通过风扇进行降温，保持粮仓内的温度在规定的范围内。而现有使用的通信技术为Zigbee技术、GPRS和WiFi等无线通信技术，这样的通信技术的数据准确率比较低，而且耗电量比较大。同时其无线传感器需要额外携带电池进行供电，粮仓是存放在室内的，因此在蓄电上面无法通过太阳光照进行补充，因此导致能源上的损耗较快，又无法补充，从而使得监测装置电源耗尽失效。若是在一个中、大型储粮基地中，频繁地更换电池使得工作量较大、成本提高。GPRS无线通信技术通信使用成本高。粮库作为国家战略安全设施信息安全很重要，而WiFi等技术信息安全性不高，对粮库信息安全要求难以保证。

技术实现要素：

本发明要解决准确信号传输、降低能源损耗、保证通信信息安全和实时监控管理的技术问题，在于提供一种基于窄带物联网粮仓温度监测系统和方法，解决粮仓监控设备的无线传输范围小，以及监控装置内置电源使用寿命短、信息安全要求难保证的问题。

本发明是这样实现的：一种基于窄带物联网粮仓温度监测系统，包括两个以上温度监测单元和一个窄带物联网无线通信节点；

一个所述窄带物联网无线通信节点电连接多个所述温度监测单元；所述窄带物联网无线通信节点包括控制模块、电源管理模块、窄带物联网无线通信模块和存储模块，所述电源管理模块分别与控制模块、窄带物联网无线通信模块和存储模块电连接，所述控制模块分别与窄带物联网无线通信模块和存储模块电连接；

所述电源管理模块用于控制电源的输出电压并为窄带物联网无线通信节点的模块和温度监测单元供电，所述温度监测单元自动采集粮仓中的温度，并将信息以数字信号的形式发送到控制器模块，控制器模块根据设定的阈值或时间频度将这些信息保存在存储器模块，或者通过窄带物联网无线通信模块将信息传给窄带物联网无线通信基站，所述存储器模块保存无线通信节点的序列号和将临时的温度值和温度监测单元的序列号所转换的高度位置信息合成的温度信息。

进一步地，所述窄带物联网无线通信模块使用窄带物联网通信技术，其结构包括Quectel BC95芯片，所述Quectel BC95芯片用于处理信号和数据传输。

进一步地，还包括监测杆，所述窄带物联网无线通信节点设置在监测杆的一端。

进一步地，所述监测杆的一端设置有把手，所述把手设置在与窄带物联网无线通信节点的相同端。

进一步地，所述温度监测单元数量为四个以上。

进一步地，所述温度监测单元为DS18B20温度传感器，所述DS18B20温度传感器设置在监测杆的杆身，DS18B20温度传感器与DS18B20温度传感器之间等间距设置。

本发明还提供了一种基于窄带物联网粮仓温度监测方法，包括以下步骤：

两个以上温度监测单元检测不同高度位置的温度；

控制模块读取每个温度监测单元的温度值；

控制模块将某一个读取的温度值与预设的第一温度阈值进行比较，判断读取的温度值是否大于预设的第一温度阈值，若是，则将前读取的温度值与第二温度阈值进行比较，判断读取的温度值是否大于预设的第二温度阈值，若是，则发送当前读取的温度值给窄带物联网无线通信基站，并控制所述报警模块响应报警；若否，则发送当前读取的温度值给窄带物联网无线通信基站；若否，则将读取的该温度值存储至存储模块，并读取下一个预设的第一温度值与预设的温度阈值进行比较，重复以上步骤循环读取。

进一步地，所述步骤“将读取的该温度值存储至存储模块”包括：以预设时间频度读取每个温度监测单元的温度值，并计算当前采样周期内存储模块所有温度值的平均值，并将所述平均值发送给窄带物联网无线通信基站；

还包括以下步骤：

判断控制模块是否达到预设的时间频度，若是，则以预设时间频度读取每个温度监测单元的温度值，并计算当前采样周期内存储模块所有温度值的平均值，并将所述平均值发送给窄带物联网无线通信基站；若否，则重复上述步骤直至控制模块达到预设的时间频度。

进一步地，所述步骤“发送当前读取的温度值给窄带物联网无线通信基站，并控制所述报警模块响应报警”还包括：

发送该温度值对应的监测杆的序列号至窄带物联网无线通信基站，所述温度值对应的监测杆为检测出该温度值的温度监测单元所在的监测杆。

进一步地，所述步骤“控制模块读取每个温度监测单元的温度值”还包括：

控制模块读取每个温度监测单元的序列号信息，同时将序列号信息设置成该温度监测单元所处的高度位置信息，并将高度位置信息和温度值合成为温度信息。

本发明具有如下优点：区别于现有的粮仓温度监控装置的能源损耗大，以及信号传输不稳定等缺点。本技术方案的基于窄带物联网粮仓温度监测系统和方法，通过窄带物联网(窄带NB-IoT)技术进行信号的管理、存储和传输，其效果具有低数据速率传输、大规模终端数目的管理和大范围信号覆盖等优点。窄带NB-IoT其信号覆盖性能好，能高效传输数据；其上行增益高于其他现有技术的无线通信技术；能耗相较其他现有技术的无线通信技术要小得多，其电池寿命大于10年；读数时间小于1秒，授权频谱，服务质量可保证，传输距离大于10公里；用户使用费用低廉；其信息传输安全性较WiFi等无线通信技术更强，能防止公共信息的泄露。一个窄带物联网无线通信节点连接多个温度监测单元可节约使用多个无线通信节点的成本。通过DS18B20温度传感器对粮仓内的温度进行自动采集，而其DS18B20温度传感器等间距分布在监测杆上，进而实现不同深度粮食的温度采集，以及多个监测杆在粮仓中的均匀分布，使得温度的采集更加准确。同时设定粮仓的温度值，低于设定的温度值窄带物联网无线通信节点每隔一定时间就会传输一次温度信息和序列号给窄带物联网无线通信基站，基站再将信息传给控制中心。当温度值超过设定的值时，窄带物联网无线通信节点立即将信息传给窄带物联网无线通信基站，基站再将信息传给控制中心。控制中心会发出报警信号，并控制离心风机、排风窗和空调进行降温处理，使得温度保持在设定范围内。同时通过电源管理模块可以合理的控制并输送电源，保证合理使用电池电源，不用连接市电，提高了其移动性能，同时还可以为温度监测单元提供外置电源。

附图说明

图1为本发明基于窄带物联网粮仓温度监测系统的剖视图；

图2为本发明基于窄带物联网粮仓温度监测系统的局部视图；

图3为本发明基于窄带物联网粮仓温度监测方法的流程图；

图4为本发明基于窄带物联网粮仓温度监测系统的电路原理模块图。

附图标记说明：

10、温度监测单元；101、监测杆；102、把手；103、中空结构；

105、监测杆的杆身；106、测温电缆；

20、窄带物联网无线通信节点；201、控制模块；202、电源管理模块；

203、窄带物联网无线通信模块；204、存储模块；

30、窄带物联网无线通信基站；31、控制中心。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1、图2以及图4，本发明提供一种基于窄带物联网粮仓温度监测系统，包括两个以上温度监测单元10和一个窄带物联网无线通信节点20；

一个所述窄带物联网无线通信节点电连接多个所述温度监测单元，这里的多个温度监测单元即是前述的两个以上的温度监测单元；所述窄带物联网无线通信节点包括控制模块201、电源管理模块202、窄带物联网无线通信模块203和存储模块204，所述电源管理模块分别与控制模块、窄带物联网无线通信模块和存储模块电连接，所述控制模块分别与窄带物联网无线通信模块和存储模块电连接；

所述电源管理模块用于控制电源的输出电压并为窄带物联网无线通信节点的模块和温度监测单元供电，所述温度监测单元自动采集粮仓中的温度，并将信息以数字信号的形式发送到控制器模块，控制器模块根据设定的阈值或时间频度将这些信息保存在存储器模块，或者通过窄带物联网无线通信模块将信息传给窄带物联网无线通信基站。所述存储器模块保存无线通信节点的序列号和将临时的温度值和温度监测单元的序列号所转换的高度位置信息合成的温度信息。

本技术方案在应用时，温度监测单元可以获取到的粮仓的温度，控制模块可以通过窄带物联网无线通信模块将温度发送给基站，基站再将信息传给控制中心，实现温度的发送和监控。由于窄带物联网通信模块都是低功耗模块，这样可以延长电池的使用寿命。而且窄带物联网通信模块可以进行长距离无线数据传输，解决了无线传输范围小的问题，同时能耗相较其他现有技术的无线通信技术要小得多，其电池寿命大于10年；读数时间小于1秒，授权频谱，服务质量可保证，传输距离大于10公里；用户使用费用低廉；其信息传输安全性较WiFi等无线通信技术更强，能防止公共信息的泄露。

其中，根据粮仓的管理规范，所述温度监测单元数量为四个以上。

所述窄带物联网无线通信模块使用窄带物联网通信技术，其结构包括Quectel BC95芯片，所述Quectel BC95芯片用于处理信号和数据传输。主要将信息传给窄带物联网无线通信基站(NB-IoT基站)，并接收NB-IoT基站传来的命令。所述温度监测单元包括DS18B20芯片，数量为四个或八个。电源管理模块包括HIP6301芯片，HIP6301芯片用于为控制器模块、无线通信模块和存储器模块供电，同时为监测杆上各个DS18B20测温传感器提供+5V的外部供电。存储模块为SRAM存储模块、DRAM存储模块或SDRAM存储模块，用于存放温度信息和序列号。控制模块为AT89S52单片机，用于处理信号和控制。

还包括监测杆101，所述窄带物联网无线通信节点设置在监测杆的一端。所述监测杆的一端设置有把手102，所述把手设置在与窄带物联网无线通信节点的相同端。所述温度监测单元数量为四个以上，所述温度监测单元为DS18B20温度传感器，所述DS18B20温度传感器设置在监测杆的杆身105，DS18B20温度传感器与DS18B20温度传感器之间等间距设置。

在某个实施例中，基于窄带物联网粮仓温度监测系统是一个用来监控并调节粮仓内的温度的装置。在粮仓内均匀的布置监测杆，使得粮仓内的每个地方都可以被监测到。在监测杆上等间距的设置有DS18B20温度传感器，DS18B20温度传感器与DS18B20温度传感器之间的距离可以为两米。同时使用测温电缆106进行连接，而测温电缆是由电源线、接地线和信号线塑封组成。因此在将监测杆上的DS18B20温度传感器都依次电连接起来，最后与窄带物联网无线通信节点电连接。因此电源管理模块使用HIP6301芯片，而HIP6301芯片可以对电能的变化、分配和检测等和对后级电路进行功率输出。也就是合理转化、管理、分配、控制输入和控制输出等处理，进而为控制模块、窄带物联网无线通信模块、存储模块和温度监测单元的持续供电提供了保障。对于控制模块是低功耗单片机，而低功耗单片机的型号可以为52系列的单片机。对于存储模块可以是SRAM存储模块、DRAM存储模块和SDRAM存储模块等。由于监测杆的杆身为空心结构，因此测温电缆可以沿空心结构的内壁布置连接各个DS18B20温度传感器，而窄带物联网无线通信节点设置在监测杆的把手内，因此测温缆线可以在空心结构内与窄带物联网无线通信节点电连接。并且通过把手便于抓取监测杆，在使用上更具有实用性。同时DS18B20温度传感器是采用外部供电方式，因此其使用寿命和长时间监测上具有较大的优势，并且DS18B20温度传感器的接口为总线接口方式，因此与其它模块或设备连接较为便利。

因此通过DS18B20温度传感器可以对粮仓内的温度进行自动采集，而且会实时对粮仓内的温度进行感知。在DS18B20温度传感器会将检测到的温度，转变成电信号传输给控制模块，控制模块接收到该电信号时，会将该信号与设定的温度值进行比较，当检测到的温度值低于设定的温度值时，控制模块会将该温度值和DS18B20测温传感器所在的高度位置信息一起存储到存储模块中。因为DS18B20测温传感器在出厂时其序列号是唯一的，因此可以通过识别序列号了解到某个温度信号来源为哪个DS18B20测温传感器，进而通过事先的安装DS18B20测温传感器时记录的高度，得出任意一个DS18B20测温传感器的高度信息。

在每隔一定的时间，控制模块就会读取存储在存储模块内的信息，以及该窄带物联网无线通信节点的序列号信息，并将温度信息和存储于存储模块的最后十个温度信息相比较，并取其平均值将信号输出，该窄带物联网无线通信节点的窄带物联网无线通信模块会将温度平均值的信号和窄带物联网无线通信节点的序列号无线传输给窄带物联网无线通信基站30。对于窄带物联网无线通信模块使用的是Quectel BC95芯片，Quectel BC95芯片的频段为B8(900MHz)、封装LCC、管脚数量94、供电电压3.0～4.2V、典型值3.8V、工作温度在-40℃～+85℃、AT指令控制3GPP TR 45.820和其它AT扩展指令等等工作指标。在数据传输上具有100bps<bit rate<100kbps(TBC)的速度；而其协议栈为NB-M2M(3GPP-TR-45.820)and NB-IOT protocols。Quectel BC95芯片用于和温度监测单元电连，并将处理后的温度监测单元传输的温度数据和窄带物联网无线通信节点的序列号信息传输到基站。窄带物联网无线通信模块主要功能是将信息传给窄带物联网无线通信基站，并接收窄带物联网无线通信基站传来的命令。窄带物联网无线通信基站会将这些信息发送给控制中心。

当检测到的温度超过设定的值时，控制模块会将该信号直接传输给窄带物联网无线通信节点，窄带物联网无线通信模块也会第一时间将该信号和该节点的序列号发送到窄带物联网无线通信基站，最后被控制中心接收。

在控制中心接收到该信号后，会第一时间内发出警报或者提示，并且发送控制信号到该窄带物联网无线通信节点所在粮仓的通风设备。通风设备具有空调、离心风机和控制窗口等，离心风机会带动粮仓内的气体流动，并通过控制窗口进行气体的更换，进行散热处理。同时空调可以调节粮仓的温度，进而对粮仓的环境温度进行控制降温，进而使得粮仓内的温度值低于设定值。因此对于整个基于窄带物联网粮仓温度监测系统，可以实时监控粮仓内的温度，在发生温度超过设定值时能够第一时间得到处理。由于使用窄带物联网通信模块，可以进行长距离无线数据传输，解决了无线传输范围小的问题，同时能耗相较其他现有技术的无线通信技术要小得多，使得设备或者装置的使用寿命大大增加，进而使得其连续监测性能提高；用户使用费用低廉使得监控的成本极大降低。其信息传输安全性较WiFi等无线通信技术更强，能有效地防止公共信息的泄露。

本发明还提供一种基于窄带物联网粮仓温度监测方法，该方法是应用与基于窄带物联网粮仓温度监测系统中，包括以下步骤：

两个以上温度监测单元检测不同高度位置的温度；

控制模块读取每个温度监测单元的温度值；

控制模块将某一个读取的温度值与预设的第一温度阈值进行比较，判断读取的温度值是否大于预设的第一温度阈值，若是，则进入将前读取的温度值与第二温度阈值进行比较，判断读取的温度值是否大于预设的第二温度阈值，若是，则进入发送当前读取的温度值给窄带物联网无线通信基站，并控制所述报警模块响应报警；若否，则进入发送当前读取的温度值给窄带物联网无线通信基站；若否，则进入将读取的该温度值存储至存储模块，并读取下一个预设的第一温度值与预设的温度阈值进行比较，重复以上步骤循环读取。

如图3所示，在本技术方案中温度监测单元为DS18B20温度传感器，DS18B20温度传感器可以设置在一根监测杆上，并且DS18B20温度传感器与DS18B20温度传感器之间等间距设置，该间距可以为两米，控制模块可以为52系列的单片机，例如：控制模块为AT89S52单片机时，由于AT89S52单片机功耗量低，因此使得延长了电池的使用寿命。而且基于窄带物联网粮仓温度监测系统在进入操作程序时，会从步骤S101初始化开始，单片机总线在起始时刻，发送一个低频信号，释放总线进入ready状态。DS18B20传感器在检测到总线上升后，等待一个时延，接着发出信号，也就是步骤S102等待一个时延，之后会进入步骤S103判断时延是否产生。若DS18B20传感器在检测到总线上升，则会有一个等待时延，进而发出信号；否则就返回到等待时延阶段直至检测到总线上升的时刻。再进入步骤S104两个以上温度监测单元检测不同高度位置的温度，也就是通过监测杆控制模块可以得到不同高度的温度值。通过步骤S105控制模块读取了每个温度监测单元的温度值后，会进入步骤S106将该温度值与第一温度阈值进行比较，进而判断出不同高度的DS18B20温度传感器的温度值是否大于第一温度阈值，若是，则进入步骤S107将该读取的温度值与第二温度阈值进行比较，并判断读取的温度值是否大于预设的第二温度阈值，若是，则进入步骤S108发送当前读取的温度值给窄带物联网无线通信基站，并控制所述报警模块响应报警；报警模块可以是扬声器、蜂鸣器和显示灯等。若否，则进入步骤S109发送该读取的温度值给窄带物联网无线通信基站；而该温度值为异常的温度值，该温度值会经由窄带物联网无线通信基站发送给控制中心，并由控制中心的工作人员视情况而进行处理。若否，则进入步骤S1010将读取的该温度值存储至存储模块，存储模块可以为SRAM存储模块、DRAM存储模块和SDRAM存储模块等。并且读取下一个预设的第一温度值与预设的温度阈值进行比较，重复以上步骤S104～S1010循环读取。而对于信息的无线发送则是通过窄带物联网无线通信模块进行发送的，而对于窄带物联网无线通信模块使用的是Quectel BC95芯片，Quectel BC95芯片的频段为B8(900MHz)、封装LCC、管脚数量94、供电电压3.0～4.2V、典型值3.8V、工作温度在-40℃～+85℃、AT指令控制3GPP TR 45.820和其它AT扩展指令等等工作指标。在数据传输上具有100bps<bit rate<100kbps(TBC)的速度；而其协议栈为NB-M2M(3GPP-TR-45.820)and NB-IOT protocols。Quectel BC95芯片用于和温度监测单元电连，并将处理后的温度监测单元传输的温度数据和窄带物联网无线通信节点的序列号信息传输到基站。窄带物联网无线通信模块主要功能是将信息传给窄带物联网无线通信基站，并接收窄带物联网无线通信基站传来的命令。窄带物联网无线通信基站会将这些信息发送给控制中心。

且本技术方案在应用时，温度监测单元可以获取到的粮仓的温度，控制模块可以通过窄带物联网无线通信模块将温度发送给基站，基站再将信息传给控制中心，实现温度的发送和监控。由于窄带物联网通信模块都是低功耗模块，这样可以延长电池的使用寿命。而且窄带物联网通信模块可以进行长距离无线数据传输，解决了无线传输范围小的问题，同时能耗相较其他现有技术的无线通信技术要小得多，其电池寿命大于10年；读数时间小于1秒，授权频谱，服务质量可保证，传输距离大于10公里；用户使用费用低廉；其信息传输安全性较WiFi等无线通信技术更强，能防止公共信息的泄露。

其中，根据粮仓的管理规范，所述温度监测单元数量为四个以上。

本技术方案中所述步骤S1010“将读取的该温度值存储至存储模块”包括：以预设时间频度读取每个温度监测单元的温度值，并计算当前采样周期内存储模块所有温度值的平均值，并将所述平均值发送给窄带物联网无线通信基站。

还包括以下步骤：

通过步骤S10101判断控制模块是否达到预设的时间频度，若是，则进入步骤S1010以预设时间频度读取每个温度监测单元的温度值，并计算当前采样周期内存储模块所有温度值的平均值，并将所述平均值发送给窄带物联网无线通信基站；若否，则进入步骤S102，并重复S102～S1010步骤直至控制模块达到预设的时间频度。也就是在每隔一定的时间，这个时间可以为十分钟，控制模块就会读取存储在存储模块内的信息，以及该窄带物联网无线通信节点的序列号信息，并将温度信息和存储于存储模块的最后十个温度信息相比较，并取其平均值将信号输出，该窄带物联网无线通信节点的窄带物联网无线通信模块会将温度平均值的信号和窄带物联网无线通信节点的序列号无线传输给窄带物联网无线通信基站。

本技术方案在所述步骤S108“发送当前读取的温度值给窄带物联网无线通信基站，并控制所述报警模块响应报警”还包括：发送该温度值对应的监测杆的序列号至窄带物联网无线通信基站，所述温度值对应的监测杆为检测出该温度值的温度监测单元所在的监测杆。在监测杆上等间距的设置有DS18B20温度传感器，而每个监测杆有对应的序列号，也就是每个监测杆上的窄带物联网无线通信节点有唯一对应的序列号，因此通过该序列号控制中心可以准确的找到该监测杆所在的粮仓和所在粮仓中的位置，使得在多个粮仓的监控中便于控制中心内的人员进行管理。

本技术方案中所述步骤S102“控制模块读取每个温度监测单元的温度值”还包括：控制模块读取每个温度监测单元的序列号信息，同时将序列号信息设置成该温度监测单元所处的高度位置信息，并将高度位置信息和温度值合成为温度信息。因为DS18B20测温传感器在出厂时其序列号是唯一的，因此可以通过识别序列号了解到某个温度信号来源与哪个DS18B20测温传感器，进而通过事先的安装DS18B20测温传感器时记录的高度，得出任意一个DS18B20测温传感器的高度信息。

当检测到的温度超过设定的值时，控制模块会将该信号直接传输给窄带物联网无线通信节点，窄带物联网无线通信模块也会第一时间将该信号和该节点的序列号发送到窄带物联网无线通信基站，最后被控制中心接收。在控制中心接收到该信号后，会第一时间内发出警报或者提示，并且发送控制信号到该窄带物联网无线通信节点所在粮仓的通风设备。通风设备具有空调、离心风机和控制窗口等，离心风机会带动粮仓内的气体流动，并通过控制窗口进行气体的更换，进行散热处理。同时空调可以调节粮仓的温度，进而对粮仓的环境温度进行控制降温，进而使得粮仓内的温度值低于设定值。因此对于整个基于窄带物联网粮仓温度监测系统，可以实时监控粮仓内的温度，在发生温度超过设定值时能够第一时间得到处理。由于使用窄带物联网通信模块，可以进行长距离无线数据传输，解决了无线传输范围小的问题，同时能耗相较其他现有技术的无线通信技术要小得多，使得设备或者装置的使用寿命大大增加，进而使得其连续监测性能提高；用户使用费用低廉使得监控的成本极大降低。其信息传输安全性较WiFi等无线通信技术更强，能有效地防止公共信息的泄露。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。