基于NBIOT技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實驗設計與實現(xiàn)

徐毅

摘? 要：為提高物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生的實驗設計能力，以產教融合為出發(fā)點，結合禽類科學養(yǎng)殖的實際需要，設計并實現(xiàn)一種基于NBIOT技術的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測實驗系統(tǒng)，該實驗既可有效解決傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式在環(huán)境監(jiān)測上存在的問題，又鍛煉了學生的動手能力。系統(tǒng)開發(fā)了上位機軟件和電腦云平臺，經過連續(xù)工作200多天的試驗測試，表明該實驗系統(tǒng)具有布點靈活、能耗低、測量準確、通信信號穩(wěn)定、軟件系統(tǒng)運行良好等特點，又具有很高的實用性和可靠性。

關鍵詞：產教融合;NBIOT;云架構;環(huán)境參數(shù)

中圖分類號：TH814.2? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0029-02

Abstract： In order to improve the experimental design ability of the students majoring in the Internet of Things， this paper takes the integration of industry and education as the starting point， and according to the actual needs of poultry scientific breeding， a breeding environment monitoring experimental system based on NBIOT technology is designed and implemented. The experiment can not only effectively solve the problems of traditional breeding methods in environmental monitoring， but also exercise the students' practical ability. The host computer software and the computer cloud platform are developed in the system. The system has been tested for more than 200 days， which shows that the experimental system has the characteristics of flexible distribution， low energy consumption， accurate measurement， stablesignalsfor communication， and good operation of software system.

Keywords： integration of industry and education; NBIOT; cloud architecture; environment parameters

1 概述

無線傳感器網(wǎng)絡結合傳感器、嵌入式、無線通信網(wǎng)絡以及分布式信息處理等技術，將各種集成化傳感器進行協(xié)同配合，對監(jiān)測環(huán)境進行實時檢測、感知和信息采集。本文結合具體的禽類養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測需要，進行了基于NBIOT技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實驗設計與實現(xiàn)，既解決的企業(yè)的實際需要，學生的實際動手能力也得到了鍛煉。也提高了學生通過無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)采集、傳輸、云存儲和大數(shù)據(jù)處理的綜合能力。

建立養(yǎng)殖環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡的檢測系統(tǒng)，并結合手機APP推送方式，可以實現(xiàn)養(yǎng)殖企業(yè)等內部的生產環(huán)境、生理及生產過程數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、獲取、處理和預警，提高養(yǎng)殖生產實時數(shù)據(jù)的存儲、分析和管理的能力，并極大地保障禽類的福利，降低人工成本，減少人員流動以及可能造成的疾病風險，提升禽類養(yǎng)殖業(yè)的管理水平，降低人工勞動強度，對支撐我國蛋雞行業(yè)的福利養(yǎng)殖、實時決策都有很大幫助。

2 系統(tǒng)拓撲

實驗設計以某禽業(yè)公司44棟雞舍為基礎，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由44棟雞舍的溫度、濕度、CO2三位一體的傳感器監(jiān)測設備、報警大屏、云服務、電腦端云平臺、手機端APP構成（該APP主要針對溫濕度、CO2濃度等三項指標超限時報警并顯示）。溫濕度、CO2濃度三位一體的傳感監(jiān)測系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的NBIOT網(wǎng)絡[1]，阿里云服務，提供基礎網(wǎng)絡服務，監(jiān)測設備既可以采用為養(yǎng)殖場景定制的專用設備，也可以選擇本學校的GEN-0200B新型物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點硬件進行。應用通過報警大屏或顯示屏實現(xiàn)低延時的設備報警，便于迅速定位報警位置;電腦云平臺提供數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計和分析服務，手機APP可隨時查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)。

環(huán)境數(shù)據(jù)采集端基于LORA/NB-IOT/NB-IoT無線傳感網(wǎng)絡的設計，具體的拓撲結構如圖1所示[2]。通過該結構，實現(xiàn)環(huán)境信息的自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)的遠程傳輸及云端存儲。通過大數(shù)據(jù)處理技術，研究分析規(guī)?；O施養(yǎng)殖企業(yè)的環(huán)境綜合評價指數(shù)與生產性能的關系，調控并構建最佳禽類生長環(huán)境，有效提高養(yǎng)殖效率。

圖2是結合具體應用的禽舍養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測實驗系統(tǒng)拓撲圖。

在該圖中，無線網(wǎng)絡的通信模塊采用NBIOT技術，信號穩(wěn)定，二氧化碳傳感器選用雙紅外光學傳感器，無需頻繁校準，溫濕度傳感器精度高達0.3攝氏度，系統(tǒng)外觀如圖3所示。

通過更換不同類型的傳感器可以實現(xiàn)不同情況下的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。基于產教融合，本實驗以禽類養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控需求進行設計，傳感器性能參數(shù)如表1所示。

本實驗系統(tǒng)設計為基于阿里云實現(xiàn)云服務部署，可以提供99.9%的連接成功率，方便查看系統(tǒng)運行情況。這樣學生也能夠學會如何搭建云實驗平臺。圖4展示了該云服務的優(yōu)點。

3 系統(tǒng)測試

實驗系統(tǒng)調試完成以后，進行了電腦端云平臺的測試，圖5展示了云平臺界面，可以進行設備的查詢、統(tǒng)計數(shù)據(jù)。該云平臺可以根據(jù)企業(yè)的實際需求設計不同的風格。

4 系統(tǒng)實驗

按照上述系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方案，實驗系統(tǒng)已連續(xù)測試運行了200多天，測試數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)通信信號穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)精準，上位機軟件系統(tǒng)和云平臺數(shù)據(jù)顯示運行良好，說明試驗方案的設計合理、可行。

5 結束語

本文基于產教融合的思想，對無線傳感器網(wǎng)絡實驗課程建設及教學模式進行探索。結合具體的企業(yè)需求，基于云平臺的無線傳感器網(wǎng)絡進行綜合實驗設計，利用NBIOT技術設計實現(xiàn)了一種禽舍內環(huán)境實時監(jiān)測實驗系統(tǒng)，旨在使學生能夠靈活地按需調用實驗教學資源，充分發(fā)揮自主學習的積極性，提高實踐創(chuàng)新能力，同時也解決了企業(yè)的實際應用需求。

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