低功耗土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計

肖漢光，冉智強，王憲文

（重慶理工大學兩江人工智能學院，重慶 401135）

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類賴以生存的物質基礎，如今，土壤板結、土壤酸堿化、水分流失等問題嚴重影響土壤的生產(chǎn)功能、環(huán)境功能和生態(tài)功能的發(fā)揮，對糧食產(chǎn)量、食物質量、生態(tài)安全和人體健康造成一定影響［1］。準確地檢測出土壤環(huán)境參數(shù)，對倡導精準農(nóng)業(yè)的中國具有深遠意義。

隨著計算機與通信技術的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與智能電子設備的結合越發(fā)緊密，現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展為土壤環(huán)境監(jiān)測研究打開了新的大門。孟德倫等［2］采用“T”型結構裝置測量農(nóng)田土壤水分，通過藍牙傳輸技術將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到Android手機。Nagarajan G等［3］設計了基于 ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)以實現(xiàn)土壤特性監(jiān)測和自動灌溉管理。韓團軍［4］結合ZigBee網(wǎng)絡和WiFi網(wǎng)絡實現(xiàn)了對山間農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，并采用Web服務器對數(shù)據(jù)進行顯示、處理和存儲。

如表1所示，藍牙可同時連接的設備少，傳輸范圍小，無法滿足大范圍或戶外監(jiān)測要求。WiFi因為功耗過高，電池無法長時間供電，且數(shù)據(jù)安全得不到保障。ZigBee雖然功耗較低，覆蓋距離相對較廣，但能力依然有限。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band internet of things，NB-IoT）技術能夠很好地解決功耗與傳輸距離間的矛盾，有超低功耗、大連接、低速率小數(shù)據(jù)分組、低成本、廣覆蓋等特點，它是當前各大運營商的主流技術選擇［5］。

表1 通信方式比較

本文中基于現(xiàn)有的土壤環(huán)境檢測方法和發(fā)展趨勢，設計了一套基于NB-IoT的土壤溫濕度遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，在選擇低功耗設備的基礎上，通過設置不同工作模式、優(yōu)化程序設計等操作，使系統(tǒng)功耗盡可能低，以達到長時間監(jiān)測的目的。最后驗證表明，系統(tǒng)在保證測量精度的同時有效降低了功耗，提高了監(jiān)測設備的使用壽命。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)整體架構如圖1所示，穩(wěn)壓電路對系統(tǒng)供電，同時帶有上電復位功能。土壤溫度傳感器DS18B20輸出數(shù)字信號直接通過I／O引腳連接到單片機，由于土壤濕度傳感器YL69輸出的是模擬信號，需要連接到內置的 AD轉換電路上。STM32F103RCT6單片機將從傳感器得到的數(shù)據(jù)傳送給NB-IoT模塊，再由該模塊發(fā)送到已經(jīng)對接好的云平臺上。采用的OceanConnect是華為公司基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術打造的開放生態(tài)環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)整體架構框圖

1.2 低功耗設計

1.2.1 低功耗元器件選擇

選用低功耗的元器件可以從根本上降低硬件系統(tǒng)的能耗。MCU是嵌入式系統(tǒng)的核心，復雜的芯片集成度高、功能強，但片內晶體管多，總漏電流大，即使進入待機狀態(tài)，漏電流也不可忽視，而簡單的芯片內核不僅功耗低，成本也低［6］。由于該土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)追求低功耗而不是低時延，因此選用ST公司的STM32F103RCT6芯片作為主控MCU，該芯片擁有低功耗模式，在基本滿足溫濕度測量的條件下，相比于其他芯片能耗更低，待機時電流僅為2μA。無線通信模塊是系統(tǒng)中耗電最大的部分，因此同樣選用具有低功耗模式的NB-IoT模塊。

1.2.2 低功耗模式切換

STM32F103RCT6有睡眠、停止、待機3種低功耗模式［7］：睡眠模式時，內核關閉，但外設依然運行，功耗最高，任一中斷或事件可喚醒；停止模式時，所有時鐘停止，功耗較低，外部中斷可喚醒；待機模式時，1.8 V內核電源關閉，功耗最低，但只有WKUP腳和RTC能將其喚醒。系統(tǒng)根據(jù)未工作時間長短，結合電源消耗、啟動時間和喚醒源，選定最佳的低功耗模式。

NB-IoT模塊 M5310-A有 3種工作模式［8］：Active模式時，模塊處于活動狀態(tài)，所有功能正?？捎茫梢赃M行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；Idle模式時，模塊處于淺睡眠狀態(tài)，網(wǎng)絡保持連接狀態(tài)，可接收尋呼消息；PSM模式時，模塊只有RTC工作，網(wǎng)絡處于非連接狀態(tài)，不可接收尋呼消息。Idle模式和PSM模式都能夠降低模塊的工作電流，其中主要用到了PSM和eDRX節(jié)電技術，讓模塊活動與睡眠交替進行，可保證電路系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。

1.2.3 外圍電路節(jié)電

野外測量時會存在供電電壓過高的情況，而降低單片機供電電壓可有效降低功耗。電源電路中的正向低壓降穩(wěn)壓器ASM1117可以將USB提供的5 V電壓轉換為3.3 V的穩(wěn)定電壓，供給處理器和其他元器件。此時I／O口帶有高電平輸出值，系統(tǒng)利用它們給NB-IoT模塊供電，避免了多電源供電造成的能量損耗，同時將多余的I／O口設置成輸入或輸出，并用上拉電阻拉高，有效地減少了漏電流［9］。

土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器芯片均采用CMOS技術，耗電量極小。其中，土壤溫度傳感器從總線上“竊取”一點電保存到電容中可完成供電，即寄生電源供電，且其在待機時功耗近似為0。

1.2.4 軟件程序優(yōu)化

在嵌入式系統(tǒng)中，軟件控制硬件活動，不合理的程序同樣會造成不必要的能量損耗。軟件設計中的延時程序，均采用定時器中斷方法。使用“中斷”代替“查詢”的原因在于單片機進入待機模式后，CPU會停止工作，而定時器仍以極低的功耗正常運行，當定時時間結束，即可喚醒CPU重新進入工作，降低CPU功耗的同時提高了CPU的工作效率。如果采用查詢的方式，CPU會不停地訪問I／O寄存器，從而帶來更多額外的損耗［10］。

1.3 系統(tǒng)硬件設計

1.3.1 嵌入式模塊

嵌入式模塊包括MCU、電源電路、晶振電路、復位電路等。因為設計土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是在野外應用，要充分考慮芯片功耗、總體成本與運算功耗，所以選用有豐富的內部資源的STM32F103RCT6單片機，如圖2所示。

圖2 STM32F103RCT6引腳圖

該高集成度芯片采用的是Coxter-M3內核，其主要特點就是功耗比較小，并且具有較高的性價比，還能夠支持16位和32位雙指令集，其中主要包括大量寄存器，運行速度比較快，頻率最高可達到72 MHz，尋址方式比較靈活，能夠提高執(zhí)行效率，還可通過 USB、CAN、UART／USART等多種方式進行通信連接［11］。

1.3.2 傳感器模塊

土壤溫度傳感器采用美國Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，內部結構主要由64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH、TL和配置寄存器組成，其溫度傳感器是由低溫系數(shù)晶振和高溫系數(shù)晶振組成。它以單總線的數(shù)字方式傳輸，具有低功耗、體積小、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，適合惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。測量的溫度范圍為 -55～+125℃，在 -10～+85℃ 范圍內，精度為±0.5℃［12］。

土壤濕度傳感器YL-69插片表面采用鍍鎳處理，感應面積加寬，提高導電性能，同時防止接觸土壤而生銹，延長產(chǎn)品使用壽命，設有固定螺栓孔，便于安裝［13］。其原理在于環(huán)境的濕度發(fā)生改變，使得濕敏電容存在環(huán)境的介質發(fā)生改變，從而導致濕敏電容中的電容數(shù)值產(chǎn)生變化，電容的數(shù)值正比于濕度值。傳感器具有硬件電路簡單、功耗低、靈敏度高的特點。

1.3.3 無線通信模塊

NB-IoT模塊M5310-A是一款工業(yè)級的多頻段（Band3、Band 5、Band 8）無線模塊，主要應用于低功耗的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，滿足3gpp Release14標準［14］。模塊采用貼片式封裝，共有30個管腳，尺寸為19 mm×18.4 mm×2.2 mm，符合檢測器小巧便攜的設計思想。模塊功能框圖如圖3，其結構包括電源管理單元 PWU、串口 UART、SIM卡、ADC數(shù)模轉換、RF天線等。

圖3 M5310-A功能框圖

1.4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序主要包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、模數(shù)轉換程序、AT指令等。程序總體流程如圖4所示。當單片機上電之后，配置系統(tǒng)時鐘和外設初始化，各模塊完成初始化后，檢查NB-IoT模塊是否成功連接到網(wǎng)絡，如果成功連接，程序進入睡眠模式，等待定時，到達時間喚醒系統(tǒng)，接收云平臺指令。進入主循環(huán)，數(shù)據(jù)采集程序對土壤溫濕度數(shù)據(jù)進行讀寫操作，再發(fā)送到MCU，由于土壤濕度傳感器輸出模擬信號，則需要模數(shù)轉換程序處理，MCU通過串口將處理后的數(shù)據(jù)傳送到NB-IoT模塊，最后通過AT指令實現(xiàn)與華為云平臺的交互。測量完成后，系統(tǒng)會再次進入睡眠模式等待下一次操作。通過軟件控制系統(tǒng)在非工作時間及時進入低功耗狀態(tài)，可以明顯減少能量消耗。

圖4 程序總體流程框圖

1.4.1 AT指令

NB-IoT模塊是計算機與終端設備通信的樞紐，在物聯(lián)網(wǎng)中，CoAP協(xié)議是面向網(wǎng)絡的針對資源受限設備的應用層協(xié)議，核心內容為資源抽象、REST式交互以及可擴展的頭選項等［15］?；贑oAP協(xié)議的AT命令集可用于控制、調測設備、通信模塊入網(wǎng)等，常用的AT指令如表2所示。在使用模塊之前需要查詢網(wǎng)絡注冊狀態(tài)，通常注冊時間與信號強度有關，可以通過查詢信號強度，以便在野外選取合適的測量地點。遇到設備異常，可重啟模塊，然后使用必要的指令實現(xiàn)端云數(shù)據(jù)交互。

表2 常用AT指令

1.4.2 平臺開發(fā)

OceanConnect平臺可以方便地將海量物聯(lián)網(wǎng)終端連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過開放API和IoT Agent實現(xiàn)設備和平臺之間數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)的雙向通信，對設備進行高效、可視化的管理，對數(shù)據(jù)進行整合分析［16］。使用之前需要在平臺上完成對產(chǎn)品的開發(fā)，開發(fā)流程如圖5所示。其中，產(chǎn)品模型用于描述設備具備的能力和特性，定義產(chǎn)品模型，即在物聯(lián)網(wǎng)平臺構建一款設備的抽象模型，使平臺理解該款設備支持的服務、屬性、命令等信息。設備集成指芯片模塊等端側設備集成了IoT Device SDK、IoT Device SDK Tiny等云端互通組件后，實現(xiàn)與華為物聯(lián)網(wǎng)平臺對接和直接通信。最后需要進行設備調試，在開發(fā)真實應用和真實設備前，使用應用模擬器和設備模擬器對數(shù)據(jù)上報和命令下發(fā)等場景進行調測，也可以在真實設備開發(fā)完成后使用應用模擬器和設備模擬器對數(shù)據(jù)上報和命令下發(fā)等場景進行調測，也可以在真實設備開發(fā)完成后使用應用模擬器驗證業(yè)務流［17］，華為云平臺界面如圖6所示。

圖5 云平臺對接開發(fā)流程框圖

圖6 華為云平臺界面

2 實驗與結果

監(jiān)測系統(tǒng)設計完成后，先在實驗室用清水模擬濕度極大的土壤環(huán)境進行了簡單的測試，測試環(huán)境如圖7所示。系統(tǒng)于2019年6月8日在野外進行測試，設定數(shù)據(jù)上傳云平臺的時間間隔為1 h，記錄8∶00～20∶00土壤溫濕度數(shù)據(jù)。

測試期間，監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無掉線情況發(fā)生，經(jīng)萬用表測量，系統(tǒng)休眠狀態(tài)時通信模塊耗流低至3μA，射頻發(fā)射狀態(tài)時耗流優(yōu)化至220 mA。測試數(shù)據(jù)如圖8所示。

通過分析曲線圖可知檢測效果良好，早上下過雨后，土壤溫度較低，相對濕度較大。隨著天氣放晴，溫度逐漸升高，濕度呈穩(wěn)定下降的趨勢，直到13∶00，達到極值，并趨于穩(wěn)定。土壤溫度于17∶00開始持續(xù)下降，土壤相對濕度于15∶00起逐步增加，到20∶00結束前，均未出現(xiàn)嚴重波動。

圖7 系統(tǒng)測試環(huán)境

圖8 測試數(shù)據(jù)曲線

3 結論

研究并設計了低功耗土壤環(huán)境監(jiān)測器系統(tǒng)，采用NB-IoT技術，將采集的土壤溫度和濕度信息上傳至華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺，用戶可以遠程登錄網(wǎng)站，通過實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)了解土壤溫濕度變化，同時可以下發(fā)控制指令。實驗表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定、響應快速、數(shù)據(jù)精確，能夠滿足土壤環(huán)境檢測的需要。相比以往的相關設計，本研究從多方面對系統(tǒng)進行了低功耗設計，符合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢。