基于NB-IoT的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備開發(fā)

劉持標(biāo)，李年攸，賴國良，裴 瑤

（1.三明學(xué)院 信息工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.福建省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明 365004）

0 引 言

近年來，隨著人口的增多，農(nóng)田土地面積減少，人們越來越重視農(nóng)作物的生長質(zhì)量及產(chǎn)量[1]。目前，影響農(nóng)作物生產(chǎn)質(zhì)量及產(chǎn)量的主要因素包括干旱、水澇、人為偷盜破壞、食草動(dòng)物覓食破壞及鳥類采食破壞等[2-5]。這些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境及安全問題嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，防治和監(jiān)測好該類農(nóng)田，對(duì)于保障農(nóng)業(yè)豐收、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和農(nóng)民增收具有重要意義。現(xiàn)有技術(shù)中相關(guān)檢測干旱、水澇、火災(zāi)及人與動(dòng)物破壞農(nóng)作物的主要方法為人工巡查，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以及時(shí)及早發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物被破壞的狀況，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長質(zhì)量及產(chǎn)量。

針對(duì)難以實(shí)時(shí)監(jiān)控干旱、水澇及人與動(dòng)物破壞農(nóng)作物的情況，本文介紹了一款基于NB-IoT的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備。該設(shè)備使用NB-IoT通信技術(shù)完成與云服務(wù)中心的數(shù)據(jù)傳輸[6-7]。一方面，NB-IoT可以提供比現(xiàn)有無線技術(shù)多50～100倍的無線設(shè)備接入數(shù)，并降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信費(fèi)用；另一方面，NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，設(shè)備功耗極低，能夠延長電池的使用壽命，有利于該設(shè)備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域的推廣。

基于NB-IoT的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備主要包括STM32微處理器[8]、環(huán)境監(jiān)測傳感器、NB-IoT模塊、蜂鳴器、開關(guān)電路等。環(huán)境監(jiān)測傳感器由溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器、紅外感應(yīng)傳感器、光照強(qiáng)度傳感器組成，用來監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)。NB-IoT模塊用于將農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)中心。通過所開發(fā)的微信小程序，用戶可實(shí)時(shí)查看農(nóng)田安全環(huán)境數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程澆水及蜂鳴器控制。同時(shí)，所研發(fā)的NB-IoT農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及智能手機(jī)客戶端可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員無需花費(fèi)太多時(shí)間與金錢，也無需雇傭?qū)I(yè)人員即可自己購買設(shè)備進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員可以在任何時(shí)間方便地添加NB-IoT硬件設(shè)備來擴(kuò)大智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模?；贜B-IoT的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。所研發(fā)的“前端、云端、客戶端”軟硬件系統(tǒng)運(yùn)作模式可將位于任何地方的NB-IoT農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù)發(fā)送到由企業(yè)或政府運(yùn)營管理的云端農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

圖1 基于NB-IoT的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

NB-IoT智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)智慧農(nóng)業(yè)存在的“信息孤島”問題。通過數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)挖掘等智能技術(shù)，對(duì)云端農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)中心的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，可為所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供智慧農(nóng)業(yè)信息及決策服務(wù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能監(jiān)測與控制，大幅提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備組成

1.1 STM32F103RET6處理器

STM32F103RET6處理器是ARM芯片眾多型號(hào)中的一種，它具有較大的閃存、較好的兼容性及較高的穩(wěn)定性。該芯片擁有的閃存與RAM容量可滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù)收集、傳輸及設(shè)備控制的需要。STM32F103RET6實(shí)物如圖2所示。

圖2 STM32處理器實(shí)物

1.2 NB-IoT通信模塊

BC95是NB-IoT通信模塊的一種，功耗小、成本低、易于續(xù)航，適合野外作業(yè)，其實(shí)物及電子原理如圖3所示。BC95模塊的VCC 3.3引腳接電源正極，GND引腳接地，RESET引腳為復(fù)位口。BC95模塊的TXD引腳用于發(fā)送數(shù)據(jù)，RI引腳用于模塊輸出振鈴提示。

圖3 NB-IoT通信模塊實(shí)物及電子原理圖

1.3 繼電器

繼電器是一種供電開關(guān)設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中。在本設(shè)備中，繼電器通過0和1的高低電位變化實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程澆水的“開”與“關(guān)”功能。本設(shè)備所使用的SRD-05VDC繼電器實(shí)物及電子原理如圖4所示。

圖4 繼電器實(shí)物及電子原理圖

1.4 蜂鳴器

NB-IoT農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備利用蜂鳴器進(jìn)行環(huán)境異常警報(bào)。蜂鳴器實(shí)物及電子原理如圖5所示。蜂鳴器的V3腳為數(shù)據(jù)引腳，接收控制電位的變化，GND引腳接地。

圖5 繼電器實(shí)物及電子原理圖

1.5 土壤濕度傳感器

采用表面進(jìn)行鍍鎳處理過的土壤濕度傳感器可擴(kuò)展感應(yīng)面積，提高導(dǎo)電性，其實(shí)物及電子原理如圖6所示。利用來自土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)變化，可以判斷農(nóng)田是否存在干旱或水澇情況。該傳感器的1號(hào)引腳為數(shù)據(jù)口，2號(hào)引腳與電容相連接，3號(hào)引腳接地，4號(hào)引腳連接電源。

圖6 土壤濕度傳感器實(shí)物及電子原理圖

1.6 其他傳感器

本設(shè)備利用HC-SR501紅外傳感器對(duì)農(nóng)田附近是否有人或者是否有動(dòng)物出沒進(jìn)行監(jiān)測。紅外傳感器采用紅外技術(shù)對(duì)傳感器附近的紅外變化進(jìn)行感應(yīng)，從而輸出0或1電平。本設(shè)備利用煙霧傳感器監(jiān)測農(nóng)田周圍的煙霧值來判斷是否發(fā)生火災(zāi)。煙霧傳感器電導(dǎo)率隨著煙霧值在一定量空氣中所占比例的提高而提高，通過轉(zhuǎn)換模塊將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為氣體濃度值進(jìn)行輸出。所制作設(shè)備的噪聲傳感器用于監(jiān)測鳥類及動(dòng)物的聲音，以判斷農(nóng)田中大型動(dòng)物及鳥類出現(xiàn)的頻率。光照傳感器用于監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境的光照強(qiáng)度，其內(nèi)置16 bit A/D轉(zhuǎn)換器，工作電源電壓為3～5 V，可輸出數(shù)字信號(hào)，靈敏度高。

1.7 整體設(shè)備制作

PCB板焊接后的設(shè)備及封閉組裝的太陽能供電設(shè)備如圖7所示。利用透明的亞克力板將制作的電子設(shè)備進(jìn)行封裝后，可提高該設(shè)備的抗外界干擾能力，延長設(shè)備壽命。太陽能板所產(chǎn)生的電源在經(jīng)過轉(zhuǎn)化后，可持續(xù)為設(shè)備提供電力。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

NB-IoT農(nóng)田監(jiān)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。農(nóng)田監(jiān)控設(shè)備將收集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊上傳至云服務(wù)器中心。智能手機(jī)端打開微信小程序，通過數(shù)據(jù)流或者無線熱點(diǎn)連接云服務(wù)器，用戶即可對(duì)所管理的農(nóng)田監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)時(shí)查看農(nóng)田情況。用戶還能夠在小程序客戶端設(shè)置環(huán)境參數(shù)預(yù)警值，當(dāng)超過預(yù)警值時(shí)及時(shí)把信息反饋給用戶，便于用戶發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。管理員可以通過電腦訪問對(duì)應(yīng)的Web頁面管理用戶。

圖7 PCB板焊接后設(shè)備及封閉組裝的太陽能供電設(shè)備

圖8 NB-IoT農(nóng)田監(jiān)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)Web服務(wù)及客戶端功能如圖9所示。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備管理系統(tǒng)包含微信小程序客戶端與Web服務(wù)器兩部分。Web服務(wù)器是針對(duì)超級(jí)管理員與普通管理員開發(fā)的。管理員可以查看所有小程序用戶的反饋信息，顯示在頁面的字段包括微信號(hào)、反饋內(nèi)容以及反饋時(shí)間。小程序擁有農(nóng)田數(shù)據(jù)的查看、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以及小程序用戶的基本服務(wù)功能。

圖9 系統(tǒng)Web服務(wù)及客戶端功能

微信小程序主界面如圖10（a）所示。用戶綁定好所管理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備后，可以看到農(nóng)田當(dāng)前的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、光照強(qiáng)度、煙霧濃度、是否有人靠近農(nóng)田等信息。同時(shí)，用戶還可以查看后臺(tái)管理員推送的相關(guān)信息。用戶側(cè)滑界面如圖10（b）所示，該界面擁有設(shè)備列表、天氣預(yù)報(bào)、意見反饋、個(gè)人日志、農(nóng)業(yè)論壇、聯(lián)系方式六大功能。

用戶可通過微信小程序的用戶個(gè)人信息界面修改個(gè)人資料。小程序用戶側(cè)滑界面點(diǎn)擊微信圖像即可對(duì)個(gè)人信息進(jìn)行操作，點(diǎn)擊“保存”后，微信用戶的信息會(huì)傳到后臺(tái)管理系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，用戶可以通過用戶意見反饋界面在問題描述區(qū)編輯出現(xiàn)的問題，也可以通過上傳照片的方式直觀展現(xiàn)問題所在。點(diǎn)擊橙色的電話號(hào)碼可以聯(lián)系后臺(tái)管理員。

圖10 用戶主界面及側(cè)滑界面

反向控制界面如圖11（a）所示，用戶通過該界面可以遠(yuǎn)程控制農(nóng)田設(shè)備的蜂鳴器或者水泵。當(dāng)按鈕顯示綠色時(shí)，表示“開”，當(dāng)按鈕顯示灰色時(shí)，表示“關(guān)”。天氣預(yù)報(bào)界面如圖11（b）所示，通過該界面可以查看天氣預(yù)報(bào)，及時(shí)了解當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r，提前做好防御工作。

圖11 反向控制及天氣預(yù)報(bào)界面

折線圖界面如圖12（a）所示，通過該界面可以實(shí)時(shí)查看農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境情況。設(shè)置預(yù)警值界面如圖12（b）所示，通過該界面可以對(duì)農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的預(yù)警值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)超出預(yù)警值時(shí)，小程序會(huì)立即推送相關(guān)警報(bào)給用戶。

圖12 折線圖界面及設(shè)置預(yù)警值界面

4 結(jié) 語

本文所制作的NB-IoT農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)測干旱、水澇及人與動(dòng)物對(duì)農(nóng)作物的破壞情況，并利用蜂鳴器示警及驅(qū)趕破壞性動(dòng)物。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備上設(shè)有二維碼，所述設(shè)備持有人使用智能手機(jī)小程序掃描設(shè)備二維碼即可將設(shè)備與智能手機(jī)綁定。同時(shí)，云服務(wù)器還可以實(shí)時(shí)通知農(nóng)戶農(nóng)田的安全環(huán)境信息，農(nóng)戶可遠(yuǎn)程采取補(bǔ)救措施，為高效的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)夯實(shí)基礎(chǔ)。