基于NB-IoT技术的智能冷库系统及应用

程 萍

(巴音郭楞职业技术学院，新疆 库尔勒 841000)

1 智能冷库

当前，随着物流行业的迅猛发展，各行各业对冷链运输和智能仓储的需求越来越大。其中，对冷库的要求除了传统的温度、湿度、通风调节，自动杀菌、消毒外，基于无线通信的物联网技术的新兴智能冷库还新增了诸多功能，例如远程管理、自动监测、移动仓储、货物智能自助候补、自动配货等，备受医疗行业、农业和其他相关领域的青睐。

2 NB-IoT技术

窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)是物联网(Internet of Things，IoT)领域的一项新兴技术，其基于广域网的蜂窝数据而构建，也被称为低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)[1]。它是基于无线通信和人工智能技术衍生的一种物联网技术，是万物互联网络的重要组成部分，具有覆盖广、连接多、功耗低、成本低等诸多优点。NB-IoT设备连接速率很快，能支持对网络连接要求较高设备的高效连接。设备功耗很低，待机时间很长。

2.1 覆盖广

NB-IoT是基于广域网的蜂窝数据而构建的，而蜂窝网络全球覆盖范围达到了百分之五十，近90%的人口都能接收到蜂窝网络信号，其称得上是一张覆盖最为完整的巨大网络。与传统全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication，GSM)相比，一个基站可以提供多达10倍的面积覆盖[2]。其覆盖范围之广，可见一斑。

2.2 连接多

在NB-IoT技术支持下，单个小区能支持10万连接，200 KHz的带宽可以提供10万个连接，假设全球有500万左右物理站点，全部部署NB-IoT，每个站3个扇区、每个扇区部署200 KHz、每小时每个传感器发送100个字节，那么全球站点能够连接的传感器数量高达4 500亿[2]。拥有海量连接的优势，可见NB-IoT技术的移动通信网络功能之非常强大。

2.3 功耗低

第三代合作伙伴项目(the 3rd Generation Partnership Project，3GPP)标准在制定低功耗、广域网技术的低功耗性能指标时，已经定义了工作10年的条件，也就是说当电池容量为5 Wh时，NB-IoT设备使用AA电池，其使用寿命可以达到10年。NB-IoT设备的电池容量大，电池利用率高，基本为100%，基本不存在老化或能量转换的损耗[2]。

2.4 成本低

NB-IoT技术连接设备维护成本低，不需要充电。这一点非常适用于户外物联网监测设备的布局。经济成本是新型技术投入市场应用必须考虑的基本问题，在这方面，NB-IoT技术非常优秀，其常规的单个通信模块成本一般不超过5美元。

基于以上优点，不论是从技术上，还是成本上，将NB-IoT技术应用于当前智能冷库系统设计都是相当科学和理性的决策。

3 基于NB-IoT技术的智能冷库系统

智能冷库系统包含诸多模块，其中最核心的部分是管理系统，NB-IoT终端在智能管理系统中应用较多，其次是数据监控中心。

3.1 NB-IoT终端管理系统

基于NB-IoT的智能冷库系统的核心是NB-IoT终端管理系统，这一系统集成了NB-IoT无线通信模组，能够实时连接网络通信平台，反馈冷库的基本信息，例如冷库内的温度、湿度，结合RFID技术能及时录入物品信息和数量，并依据连接的通信前端指令，提供进出仓、补货、告警服务。NB-IoT设备的强大通信覆盖能力和超长待机电池支持在偏远地区的冷库维护和构建，也支持移动冷库的信息调用和更新。

3.2 数据中心服务系统

新型智能冷库系统还设有数据中心服务系统。数据中心服务系统包括监控中心和通信平台两个部分。监控中心的硬件接口包括监控主机、人机互动接口、关联外设以及无线通信信号接口，软件包括冷库系统监控、数据采集系统、数据处理软件，结合群控、组控，能对差异化的监控终端开展控制，这些软件集成了一个监控中心。监控中心对各个远端监控点具有轮询或联动询问功能，能够同时完成数据输入/输出、数据检测、信息控制、信息采集、信息反馈、紧急预警等多个任务。此外，这一监控系统还具有数据汇总报表打印、人机互动界面、自动排查终端、安全性控制等诸多功能[3]。以某款智慧冷链车应用NB-IoT为例，其系统架构如图1所示。

图1 NB-IoT智慧冷链车系统架构

4 基于NB-IoT的智能冷库系统应用

由于NB-IoT强大的通信覆盖能力和低功耗设备超长的待机功能，智能冷库系统的功能较传统冷库系统更为丰富，基于此技术的智能冷库系统应用更为广泛。目前应用较为广泛的几个领域有：医疗行业医药冷藏；无人商店自动补货；农业种子培育和农产品冷藏保鲜；渔港码头海鲜肉类冷冻；冷链运输；生物研究。

4.1 医疗行业医药冷藏

医疗行业对智能冷库的需求主要体现在医疗用品和药品的存储上，例如医用冷藏箱、医用冷藏库等。各类疫苗、药品、血液血浆的存放，都离不开冷库。除了传统的冷藏冷冻功能，新型智能冷库还可以根据电脑前端指令自动出货，精准匹配药品名称和药品数量，减少了人为取药的差错率和破损风险，同时也极大地提高了医院药房的工作效率。

4.2 无人商店自动补货

无人商店近年来发展较快，在一些大城市中，一些企业由于人力成本过高，引入了无人商店模式。超市除了收银结算外，补货、出货也是一项非常重要且烦琐的工作。特别是一些需要冷藏冷冻且保质期较短的商品，如没有专人及时检查，容易出现过期变质情况。智能冷库系统能根据对应货架物品表面信息的扫描和输入生产日期、保质日期的功能，自动测算是否临期，是否需要处理，及时对相应物品发出过期提醒、清理库存和补货的提示，同时具有杀菌消毒的功能，能最大限度提升商品的卫生质量，减少商品损失。这样极大地提高了商店管理效率，节省了大量人力。

4.3 种子培育和农产品冷藏保鲜

冷库在农业领域的应用早已有先例，不过传统的功能多限于农产品的冷藏保鲜。近年来，利用智能冷库系统储藏和培育特定的种子和幼苗功能备受青睐。智能冷库系统可以远程设定温度、湿度乃至光照等各项参数(见图2)，同时提供检测和告警功能，避免人为频繁开关冷库，减少培育对象参数误差，更有利于精准把握种子培育时间。农产品的冷藏保鲜功能基于NB-IOT也有了补充，能及时对冷库内农产品的各项参数进行检测，在人机交互界面直观展示农产品的各项指标，保证农产品的口感和风味，为相关人员的农产品管理决策提供数据支持[4]。

图2 NB-IoT智慧温湿度控制系统

4.4 渔港码头海鲜肉类冷冻

海鲜产品因为产品自身蛋白质含量高，在高温天气下极易腐坏。渔港码头多会将捕捞上来的海鲜产品及时入库。传统方式是将海鲜产品暴露在常温环境下再运输至有电源的冷库中，中途需要较长时间且容易落入细菌和灰尘，并且临时设定冷库功能非常匆忙，容易发生差错，导致温度设定不合理或者在冷库中带入了细菌等影响海鲜产品的质量。基于NB-IoT技术的智能冷库系统可以提供定制功能，且由于功耗较低，可制作移动冷库，并支持远程设定，在到达渔港码头前各项参数已远程设定，只需要将海鲜产品直接入库，这样一来，能极大地保证海鲜产品的风味和质量，减少损失。肉类冷冻也是一样的道理。由于一般的冷库规模都较庞大，很多肉类入库后很有可能因为工作人员大意而被长久置于冷库，导致肉类组织发生变质，影响肉类的口感和外观，从而无法正常售卖。智能冷库系统能实时监测冷库内物品参数，及时发出告警，最大限度地减少过期冷冻肉的存在。

4.5 冷链运输

当前，随着我国物流和电商的迅猛发展，网络购物成为消费者的重要购物渠道。智能冷库系统在冷链运输中扮演着重要角色。例如鲜花、农产品、海鲜等生鲜商品必须通过冷链运输。冷链车中的小型冷库也可以应用NB-IoT技术，消费者可以根据录入的信息实时跟踪商品轨迹，保证到手的商品质量。同时，不便取货的用户还可以委托物流工作人员将其放入生鲜柜，生鲜柜极大地方便了人们购物存储的需求，对电商的发展提供了助力。

4.6 生物研究

随着生物科技的发展，我国越来越多的生物实验室配备了智能冷库。智能冷库系统具有能效比高、制冷能力强、制冷量大、噪声低等特点，为生物培育提供了良好的观测环境。