基于NB-IoT的農(nóng)林監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蔡航宇　王天凱　江朝暉

摘 要：為了解決農(nóng)林信息監(jiān)測(cè)過(guò)程中通信信號(hào)差、監(jiān)測(cè)環(huán)境惡劣以及供電困難等問(wèn)題，采用窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）方案設(shè)計(jì)了一種農(nóng)林監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)農(nóng)林環(huán)境信息如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度以及生長(zhǎng)信息如莖桿直徑變化量等進(jìn)行精確采集，通過(guò)窄帶通信模塊上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，用戶在PC端和移動(dòng)端接收基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)、多模式監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)性價(jià)比高，可增添傳感器，適用于偏僻農(nóng)田、山地、林地的多種信息監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)林信息;監(jiān)測(cè)系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);窄帶通信;傳感器;云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）07-000-04

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+的不斷發(fā)展與普及，信息化已成為農(nóng)林經(jīng)濟(jì)發(fā)展的助推器。對(duì)農(nóng)林信息進(jìn)行精確采集、分析能夠有效掌握其生長(zhǎng)狀態(tài)，從而為農(nóng)林管理部門(mén)提供數(shù)據(jù)支持[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為農(nóng)業(yè)信息化的主流技術(shù)，目前常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案[2-3]包括LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)），如NB-IoT，LoRa，SigFox，2/3/4G，以及ZigBee，2.4G（藍(lán)牙、WiFi等）。農(nóng)林物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)必須克服農(nóng)田、林地、山地等信號(hào)較差、監(jiān)測(cè)環(huán)境惡劣的情況[4]，因此考慮專為滿足長(zhǎng)距離傳輸物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì)的LPWAN技術(shù)[5]。其中NB-IoT是一種新興技術(shù)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，大約消耗18 kHz帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)[6]。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存[7]。相比其他工作在非授權(quán)頻譜的LoRa，SigFox等技術(shù)，NB-IoT擁有低功耗、低成本、大連接、廣覆蓋等優(yōu)勢(shì)[8]，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、智能儀表、工業(yè)監(jiān)控等方面。

本文采用基于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT通信技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一套農(nóng)林物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以精確采集農(nóng)林空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、植株莖桿微變化等數(shù)據(jù)，并通過(guò)NB-IoT通信模塊經(jīng)基站上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，用戶可通過(guò)PC端和移動(dòng)端獲取上報(bào)的數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)林環(huán)境和作物生長(zhǎng)信息，傳感器可拓展，對(duì)農(nóng)林行業(yè)的生產(chǎn)管理與研究具有重要意義與價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由環(huán)境、生長(zhǎng)感知模塊、NB-IoT無(wú)線通信模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看平臺(tái)等構(gòu)成。感知模塊包括光照強(qiáng)度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、莖稈微變化傳感器。主控芯片定時(shí)將采集的環(huán)境、生長(zhǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT模塊以CoAP透?jìng)餍问桨l(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[9]，最終數(shù)據(jù)被保存在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶通過(guò)登錄云平臺(tái)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也可通過(guò)移動(dòng)端的微信小程序查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件

監(jiān)測(cè)終端由基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103主控芯片、傳感器模塊（空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、莖稈微變化傳感器等）、NB-IoT通信模塊、OLED顯示模塊、太陽(yáng)能電池板及蓄電池構(gòu)成，如圖2所示。

2.1 主控模塊

主控模塊采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位嵌入式微處理器STM32F103RCT6，該款微處理器具有高性能、低功耗、低成本等特點(diǎn)。本系統(tǒng)主要應(yīng)用該款處理器的ADC1，ADC2分別采集光照傳感器、莖稈微變化傳感器的光照強(qiáng)度值和莖稈增幅值。USART1與NB-IoT通信，USART2與空氣溫濕度傳感器通信（RS 485協(xié)議），讀取空氣溫濕度值，USART3與土壤溫濕度傳感器通信（RS 485協(xié)議），讀取土壤溫濕度值，I2C/SPI接口與OLED顯示屏連接，定時(shí)器控制工作時(shí)間間隔。

2.2 傳感器模塊

空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器為直流12～24 V供電，采用RS 485通信標(biāo)準(zhǔn)，即差分傳輸方式，最大速率可達(dá)10 Mb/s，傳輸距離超千米，能有效減少距離過(guò)遠(yuǎn)和電子噪聲過(guò)大對(duì)于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。傳感器的雙絞線分別連接對(duì)應(yīng)的TTL轉(zhuǎn)485模塊的A/B端口，主控模塊的對(duì)應(yīng)串口分別連接對(duì)應(yīng)的TTL轉(zhuǎn)485模塊的TTL端口[10]。

光照強(qiáng)度傳感器采用RS-GZ-V05-2-65535型光照度變送器，該設(shè)備為直流12～24 V供電，0～5 V電壓型數(shù)據(jù)輸出，擁有IP67高防護(hù)等級(jí)可應(yīng)對(duì)戶外惡劣環(huán)境等高濕場(chǎng)合。傳感器的模擬信號(hào)經(jīng)A/D端口轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，交由主控模塊進(jìn)行處理?yè)Q算。

莖稈微變化傳感器采用LVDT8-A-5MM-DL型傳感器，為直流12～24 V供電，4～20 mA電流型數(shù)據(jù)輸出。在傳感器的信號(hào)輸出端連接一個(gè)120 Ω的電阻，主控模塊由A/D端口讀取電阻的電壓值[11]。

2.3 NB-IoT通信模塊

NB73-B5通信模組基于中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，工作頻段為850 MHz，可以實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。設(shè)備通過(guò)串口與MCU通信，波特率為9 600 b/s，

使用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)。采用3～16 V供電，模塊工作在CoAP透?jìng)髂Ｊ较?。圖3所示為NB73-B5模塊原理。

2.4 供電模塊

系統(tǒng)供電模塊采用太陽(yáng)能板和蓄電池結(jié)合的方式，將設(shè)備與太陽(yáng)能控制器負(fù)載端相連，可以得到5 V電壓源。由于傳感器的工作電壓范圍為12～24 V，5 V電壓源經(jīng)過(guò)XL6009升壓電路獲得24 V電壓[12]。主控模塊、NB-IoT通信模塊、TTL轉(zhuǎn)485模塊所需電壓為3.3 V，由5 V電壓源經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3降壓電路獲得3.3 V電壓[13]。為了降低耗能，系統(tǒng)采取間斷供電的方式給傳感器供電。繼電器的常開(kāi)端口連接24 V電壓，常閉端口接地，公共端口接傳感器電源線。通過(guò)MCU的定時(shí)器控制繼電器信號(hào)觸發(fā)端每隔一小時(shí)電平由低變化為高，以此實(shí)現(xiàn)繼電器周期性吸合，傳感器間斷工作[14]。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)采取每隔一個(gè)小時(shí)作為一個(gè)周期的工作方式，能大幅降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集

空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器皆為RS 485型傳感器，使用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議，主控模塊通過(guò)串口發(fā)送對(duì)應(yīng)的問(wèn)詢幀，經(jīng)由TTL轉(zhuǎn)485模塊傳送至傳感器，傳感器接收到對(duì)應(yīng)指令后返回應(yīng)答幀，由MCU進(jìn)行校驗(yàn)并將十六進(jìn)制數(shù)值換算為十進(jìn)制，數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)表1所列。

由于光照強(qiáng)度傳感器和直線位移傳感器為模擬量傳感器，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，主控模塊分別取40次電壓值的平均值作為本次采集的數(shù)值，由式（1）和式（2）換算得到光照強(qiáng)度和莖稈生長(zhǎng)量：

3.3 MCU與NB-IoT模組通信

系統(tǒng)的主控制器在上電后會(huì)通過(guò)串口發(fā)送AT指令對(duì)NB-IoT模塊進(jìn)行初始化配置工作。初始化工作分為兩步：

（1）MCU先向NB-IoT模塊發(fā)送AT+NRB（軟啟動(dòng)）指令，此時(shí)NB-IoT模塊會(huì)執(zhí)行軟啟動(dòng)指令，發(fā)送成功后MCU打開(kāi)空閑接收中斷，當(dāng)接收到模塊返回正確的識(shí)別號(hào)后會(huì)進(jìn)行下一步初始化工作，該過(guò)程在初始化失敗的前提下會(huì)重復(fù)執(zhí)行5次，若5次依舊未正確接收到模塊識(shí)別號(hào)，OLED會(huì)顯示初始化失敗。

（2）NB-IoT模塊軟啟動(dòng)成功后，繼續(xù)對(duì)模塊進(jìn)行配置操作，如圖5所示。

圖6所示為中斷上電后自動(dòng)與基站建立連接測(cè)試，圖7為與基站連接成功的顯示界面。界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前是否處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)以及當(dāng)前的信號(hào)強(qiáng)度與本地時(shí)間信息。

3.4 監(jiān)測(cè)終端與云平臺(tái)通信

終端的NB-IoT模塊工作在CoAP（Constrained Application Protocol，受限制的應(yīng)用協(xié)議）透?jìng)髂Ｊ较?。CoAP協(xié)議是滿足物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的指定協(xié)議。MCU將傳感器采集的數(shù)據(jù)以3GPP標(biāo)準(zhǔn)AT指令的形式經(jīng)串口發(fā)送給NB-IoT模塊。由于設(shè)備使用CoAP協(xié)議進(jìn)行透?jìng)?，因此在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸流程中可以忽略NB-IoT設(shè)備，只看終端設(shè)備與云平臺(tái)服務(wù)器之間的實(shí)際通信即可。此時(shí)終端設(shè)備可作為從機(jī)，服務(wù)器作為主機(jī)，兩者采用ModBus-RTU數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸，但實(shí)際應(yīng)用中服務(wù)器和終端設(shè)備間存在網(wǎng)絡(luò)延遲、服務(wù)器并發(fā)等問(wèn)題，故在應(yīng)用中采取從機(jī)終端設(shè)備主動(dòng)上報(bào)規(guī)則。終端上報(bào)的ModBus-RTU數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表2所列。

3.5 數(shù)據(jù)獲取

由監(jiān)測(cè)終端上傳的ModBus-RTU數(shù)據(jù)根據(jù)事先在云平臺(tái)添加的數(shù)據(jù)詞典進(jìn)行解碼，最終還原出不同傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。被還原出的數(shù)據(jù)會(huì)暫存在云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中30天，數(shù)據(jù)詞典見(jiàn)表3所列。期間用戶可以登錄平臺(tái)查看上報(bào)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)在移動(dòng)端可登錄微信小程序以JSON格式與云平臺(tái)交互，實(shí)現(xiàn)訂閱設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)流。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

在郊區(qū)大棚環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。NB-IoT模塊在使用中桿天線情況下的RSSI（Received Signal Strength Indicator，無(wú)線接收信號(hào)強(qiáng)度）保持約26 dBm，屬于信號(hào)良好范圍。數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁(yè)上的展示如圖8所示，不同的曲線分別為番茄莖稈直徑變化、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。終端上傳的數(shù)據(jù)會(huì)在云平臺(tái)中暫存一個(gè)月，期間可通過(guò)登錄透?jìng)髟破脚_(tái)調(diào)取數(shù)據(jù)。移動(dòng)端的微信小程序使用云平臺(tái)提供的開(kāi)放接口訂閱設(shè)備上傳上報(bào)的數(shù)據(jù)，如圖9、圖10所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜合考慮建設(shè)成本、信號(hào)強(qiáng)度、連接規(guī)模、運(yùn)營(yíng)商政策支持、功耗等因素，NB-IoT技術(shù)相比其他類型的LPWAN技術(shù)更適合長(zhǎng)延時(shí)低數(shù)據(jù)量的農(nóng)林物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，尤其是NB-IoT在惡劣通信條件下依然擁有良好的信號(hào)質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)基于NB-IoT的農(nóng)林信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可采集空氣、土壤、光照、植株莖桿等多方面農(nóng)林信息。該系統(tǒng)硬件成本小、傳感器擴(kuò)展靈活、安裝使用方便，能滿足農(nóng)林領(lǐng)域大規(guī)模部署的需求，具有良好的應(yīng)用前景。

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