基于NB-IoT的土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)

王豐華，胡春杰，牛智星,，陳 翠，阮 聰

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012)

0 引 言

土壤墑情即土壤的水分狀況，反映農(nóng)業(yè)作物在生長周期土壤水分的供給情況，并直接影響著農(nóng)業(yè)作物本身的生長狀態(tài)，開展土壤墑情預(yù)報，科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，保障國家糧食高量穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義[1,2]。目前測定土壤含水量方法有中子儀測量法、TDR測量法、烘干發(fā)法、電阻法、電容法等[3-5]。時域反射法(TDR)墑情監(jiān)測技術(shù)由于其不需對測量土壤提前率定、快速準(zhǔn)確、易于實現(xiàn)自動化在線監(jiān)測，而普遍被認(rèn)為是最有效的土壤含水量率測量手段[6]。隨著云計算技術(shù)與通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其中NB-IOT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow BandInternetof Things)的簡寫，是LPWA技術(shù)成員之一，運營商可以直接復(fù)用現(xiàn)有的基站設(shè)備，直接平滑升級，大大減低部署成本。相比于藍(lán)牙、ZigBee等短距物聯(lián)網(wǎng)通信手段，NB-IOT通信技術(shù)具有覆蓋廣、待機(jī)時間長、多連接、速率低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點[7-9]。

為了適應(yīng)大量的低功耗、多連接應(yīng)用場景，NB-IoT提供了3種工作模式，如表1所示。對于土壤墑情監(jiān)測，可使用PSM省電模式，大大地降低系統(tǒng)功耗。

表1 NB-IoT 工作模式

1 硬件總體設(shè)計

本土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)包括電容式土壤水分傳感器、主控板、NB-loT通信模塊及供電模塊，相互協(xié)調(diào)運作，其硬件架構(gòu)圖1所示。

圖1 硬件架構(gòu)

1.1 土壤水分傳感器

電容式土壤水分傳感器(Capacitance Sensor；CS)由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成。探頭為由絕緣材料加工而成的，探針直徑約3 mm，長度約20 cm。測量電路內(nèi)置于圓柱體中，通過銅線經(jīng)由過孔與探頭外的環(huán)形電容相連接。電容式土壤水分傳感器如圖2所示。

圖2 電容式土壤水分傳感器

1.2 主控板

本系統(tǒng)采用主控板較低功耗、處理性能相對較強(qiáng)的STM32單片機(jī)(STM32L475VET6)。主控板用于采集傳感器數(shù)據(jù)，也用于與通信單元的數(shù)據(jù)傳輸考慮到野外設(shè)備檢修需要，主控板設(shè)計了一個LCD顯示屏，實現(xiàn)土壤含水量等信息的實時顯示。在正常使用時，可去掉顯示屏以降低系統(tǒng)功耗，在檢修時使用顯示屏用于快速排查故障。如圖3所示。

圖3 主控板圖

STM32L475VET6的特點：

(1)性能強(qiáng)勁，處理速度快。STM32L475VET6基于ARM Cortex M4的32位處理器，采用ARMv7ME架構(gòu)，三總線接口、讀寫取指令更快。

(2)低功耗。STM32L475VET6具備F系列主控的3種低功耗模式，與MSP430低功耗對比，不但性能好，而且功耗低(表2)。

表2 STM32L475VET6與MSP430功耗對比

(3)大存儲。STM32L475VET6內(nèi)部高達(dá)512 kb大小的Flash，支持讀寫同步。

(4)通信接口多。

1.3 通信單元

BC28是我國自產(chǎn)的一款NB-loT通信模塊，兼容上海移元通信的GSM的M26模塊，便于客戶升級，并且支持多種協(xié)議棧。主控板根據(jù)用戶控制策略，將采集的土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，其通信鏈路如圖4所示。BC28通信模塊內(nèi)部含有射頻功能、基帶功能、電源管理以及外圍接口，功能框圖如圖5所示。

圖4 通信單元傳輸鏈路圖

圖5 BC28功能框圖

BC28是負(fù)責(zé)將監(jiān)測的數(shù)據(jù)封裝為CoAP報文協(xié)議格式發(fā)送到中心站，CoAP協(xié)議是面向網(wǎng)絡(luò)的一種傳輸協(xié)議，其核心內(nèi)容包括可擴(kuò)展的頭選項、資源抽象、REST式交互等(圖6、圖7)。第一層為請求/響應(yīng)層用于傳輸命令的請求和響應(yīng)據(jù)；第二層為事務(wù)交互層，該可以用于實現(xiàn)各個節(jié)點間的信息傳輸互換，同時提供信息交互時堵塞控制和組播等功能。

圖6 BC28通信模塊

圖7 CoAP協(xié)議棧

1.4 供電模塊

供電模塊主要給設(shè)備提供直流12 V電壓。為了節(jié)約設(shè)備用電，供電模塊采用智能電源管理系統(tǒng)，將太陽能和市電同時接入供電[12]。通常情況下蓄電池將太陽能發(fā)電保存，然后給設(shè)備提供供電，通過智能電源管理系統(tǒng)實時監(jiān)測蓄電池的電量和電壓狀態(tài)，當(dāng)蓄電池電量大于設(shè)定閾值時，設(shè)備由蓄電池供電。當(dāng)蓄電池電量小于設(shè)定閾值，無法滿足設(shè)備用電需求時，智能電源管理系統(tǒng)將切換到市電供電，保證設(shè)備正常運行。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

針對系統(tǒng)的應(yīng)用目的和上述設(shè)計思路，采用Microsoft visual studio 2010為開發(fā)環(huán)境，以SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用C#語言三層架構(gòu)體系和組件[13,14]，研發(fā)了一套土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了土壤墑情實時監(jiān)測，并且解決傳統(tǒng)通信方式存在的耗電大、費用高等問題，達(dá)到了信息的低成本、低功耗、遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪康?。本系統(tǒng)軟件界面的友好與實用，為科學(xué)分析、防旱情減災(zāi)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。圖8為墑情數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)截圖。

圖8 墑情數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)截圖

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于NB-IoT的土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)，采用上海移遠(yuǎn)BC28物聯(lián)網(wǎng)模組，接入電信云平臺將墑情數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式通過BC28通信模塊上傳至監(jiān)控中心，通過系統(tǒng)軟件可以看到實時土壤含水量的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了土壤墑情實時監(jiān)測，達(dá)到了信息的低成本、低功耗、遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪康摹１鞠到y(tǒng)能夠全面、真實地反映被監(jiān)測區(qū)的土壤變化，可及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測的土壤墑情狀況，為抗旱減災(zāi)工作提供重要的基礎(chǔ)信息。