面向農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測的傳感終端

張 滔，范蕓菲，王思嘉，張 潔

（四川農(nóng)業(yè)大學 信息工程學院，四川 雅安 625000）

0 引 言

農(nóng)作物的生長離不開土壤，土壤地表溫度、土壤水分直接影響玉米[1-2]、蘿卜[3]、馬鈴薯[4]等作物關鍵時期的生長發(fā)育。通過對土壤信息的采集與分析，干預土壤溫濕度變化，為作物創(chuàng)造最佳的土壤環(huán)境以期提高作物產(chǎn)量[5]。

我國正在加速建設農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，感知層作為系統(tǒng)基礎，通過感知技術完成海量農(nóng)業(yè)信息的收集是農(nóng)業(yè)信息化不可缺少的環(huán)節(jié)[6]。我國西南地區(qū)由于地理環(huán)境特殊（山區(qū)較多，地形復雜），導致農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平低下，基礎設施薄弱[7-8]。因此，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術，將無線傳感網(wǎng)絡應用到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中十分必要。方圓等[9]通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡，以STC51單片機為控制器完成對棉田土壤環(huán)境信息的監(jiān)控。張慧穎[10]設計了ZigBee無線傳感器節(jié)點，通過3G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。萬雪芬等[11]運用LoRa節(jié)點和藍牙技術，實現(xiàn)了對果園、溫室大棚內環(huán)境數(shù)據(jù)、機電設備數(shù)據(jù)的感知。本文設計了一種基于NB-IoT技術的無線傳感器終端，充分了發(fā)揮NB-IoT網(wǎng)絡覆蓋面積廣、功耗低等優(yōu)點[12]，已滿足了西南地區(qū)復雜地理環(huán)境下農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的感知需求，實現(xiàn)了對農(nóng)耕地土壤環(huán)境的穩(wěn)定監(jiān)測，可將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫，展示在交互界面，以幫助農(nóng)戶、政府科學規(guī)劃農(nóng)作時間。

1 整體架構設計

傳感終端和遠程數(shù)據(jù)管理中心共同構成該監(jiān)測系統(tǒng)。各傳感終端單獨工作，由獨立的電源供電。監(jiān)測模塊主要由微控制器、傳感器以及NB-IoT模組構成。云服務器作為數(shù)據(jù)管理中心，管理NB-IoT網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，展示在Web頁面上。監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 農(nóng)田土壤監(jiān)測系統(tǒng)結構

傳感終端在空閑時刻處于睡眠狀態(tài)，通過高精度時鐘以鬧鐘方式喚醒，在規(guī)定時段采集土壤環(huán)境信息，并通過NBIoT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器。服務器接收的數(shù)據(jù)包括土壤含水量、土壤表面溫度、土壤表面濕度、NB-IoT網(wǎng)絡信號、傳感器采集數(shù)據(jù)時間以及傳感終端工作時間。

2 設備硬件設計

綜合考慮設備的功耗、集成度以及農(nóng)場的土壤環(huán)境，自行設計傳感終端，實物如圖2所示。

圖2 傳感終端實物

2.1 傳感器模塊設計

為檢測土壤中的含水量，選用工作電壓為3.3～5 V的YL-69土壤濕度傳感器。其優(yōu)點是體積小、功耗低、穩(wěn)定性高，對土壤濕度的靈敏度高、測量速度快、滯后量小[13]。該模塊引出4個引腳，分別是VCC、GND、D0以及A0。VCC和GND用于模塊供電；D0為閾值觸發(fā)信號輸出引腳，當濕度小于設定的濕度值時，輸出高電平；A0輸出模擬信號，通過單片機內部的模數(shù)轉換器將其轉換為數(shù)字信號，其數(shù)值與土壤含水量成反比。

選擇SHT20數(shù)字傳感器測量土壤表面溫濕度信息。SHT20數(shù)字傳感器是一款含I2C接口的低功耗復合溫濕度傳感器。傳感器包含1個電容式相對濕度傳感器、1個帶隙溫度傳感器以及1個模數(shù)轉換器。出廠時校準數(shù)字信號，濕度測量范圍為0～100%RH，分辨率達0.04%RH，溫度測量范圍為-40～125 ℃，分辨率達0.01 ℃。溫濕度模塊共引出4個引腳，分別是VCC、GND、SDA和SCL，通過I2C協(xié)議將采集的溫濕度信息以數(shù)據(jù)包形式傳輸至單片機。

2.2 NB-IoT模塊設計

系統(tǒng)采用中移物聯(lián)網(wǎng)公司出品的單頻M5310-A模組，其內核為海思Hi2115芯片，集成有AT指令集，在PSM模式下耗流僅為3 μA。NB-IoT模塊共引出8個引腳，包括電源引腳、串口引腳以及硬件復位引腳。

串口引腳用于與微控制器進行串口通信，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送以及對AT指令的應答。當程序混亂或出現(xiàn)異常時，微控制器對硬件復位引腳拉低超100 ms，使M5310-A模組復位。

2.3 終端供電系統(tǒng)

設備在農(nóng)田長時間工作，使用可充電鋰電池提供3.3～4.2 V電壓。為保證各模塊正常工作并降低功耗，供電系統(tǒng)分為3部分，分別給主控芯片、傳感器及NB-IoT模組供電。

采用合泰公司出品的HT733-1低壓差低靜態(tài)電流穩(wěn)壓芯片為微控制器提供3.3 V直流電源。在STM32L151處于待機模式時電流僅為0.9 μA，電源通過靜態(tài)功耗為2.5 μA的HT733-1芯片為主控模塊持續(xù)供電，RTC時鐘作為鬧鐘喚醒源工作。電源通過RT9013穩(wěn)壓芯片為傳感器提供直流電源，同時RT9013的工作狀態(tài)受主控模塊控制。在設備睡眠時，RT9013停止工作，處于關閉狀態(tài)，電流為0.7 μA；當設備需要采集傳感器數(shù)據(jù)時，RT9013正常工作，為傳感器提供3.3 V直流電壓。M5310A工作電壓為3.2～4.2 V，NB-IoT模塊采用鋰電池供電，以減少線性穩(wěn)壓器帶來的電源損耗。

3 設備軟件設計

設計終端軟件時，除數(shù)據(jù)的正常收發(fā)流程外，還需要考慮異常數(shù)據(jù)的處理以及配合硬件設計達到低功耗的要求。

3.1 數(shù)據(jù)濾波算法

傳感器上電后采集環(huán)境信息，由于電壓短時間的不穩(wěn)定以及農(nóng)田環(huán)境的干擾，導致數(shù)字傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)生跳變，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，可采用軟件濾波的方式提高數(shù)據(jù)的準確性[14]。中位值平均濾波算法實現(xiàn)簡單，剔除數(shù)據(jù)中的最大值和最小值后對剩余數(shù)據(jù)取平均值即可。

在對大量數(shù)據(jù)進行處理且受干擾的數(shù)據(jù)較多時[15]，提出在每100個數(shù)據(jù)中剔除10個最大值和10個最小值，再對剩余數(shù)據(jù)求平均值后采用中位值濾波算法。在本系統(tǒng)中，每次設備喚醒后傳感器模塊連續(xù)采集15次數(shù)據(jù)，將其分為3組，即每5個數(shù)據(jù)一組，對每組數(shù)據(jù)進行冒泡排序，取中間值，即剔除2個最大值和2個最小值，然后對所有中間值求算術平均值。主要代碼如下：

上述代碼中，DataBuff存儲連續(xù)采集的15次數(shù)據(jù)，通過冒泡排序將其分為有序的3組，存放在二維數(shù)組DataSort中。

取出3組數(shù)據(jù)中每組數(shù)據(jù)的中位值，并對其求平均值，得到濾波后的數(shù)據(jù)，代碼如下：

3.2 NB-IoT工作狀態(tài)控制

NB-IoT芯片主要采用eDRX技術和PSM技術降低功耗，PSM模式適用于時延性要求低、終端壽命要求長的場景，且相對于直接關機，芯片在PSM模式下依舊附著網(wǎng)絡，被喚醒后無需重新駐網(wǎng)[16]。

該系統(tǒng)用于農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測，實時性要求不高，但要求壽命超過一年，因此NB-IoT模組大多時間處于PSM模式，以降低功耗。微控制器通過串口發(fā)送AT指令控制NB-IoT模塊的工作狀態(tài)。

NB-IoT模塊工作流程如圖3所示。首先發(fā)送任意指令喚醒PSM模式下的NB-IoT芯片，完成駐網(wǎng)、查詢信號、查詢時間、建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)等任務，一次數(shù)據(jù)發(fā)送完成后進入空閑模式，如果空閑時間超過5 s，則表明所有數(shù)據(jù)已發(fā)送完成，立即進入PSM模式等待下一次喚醒。NB-IoT模塊中，設置的TAU周期定時器時間[16-17]為12 h，通過微控制器發(fā)送指令喚醒NB-IoT模塊。

圖3 NB-IoT模塊工作流程

4 上位機設計

NB-IoT網(wǎng)絡以CoAP協(xié)議接入搭建有EMQ的云服務器，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。EMQ消息服務器支持完整的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，能夠承載海量物聯(lián)網(wǎng)終端設備的接入，實現(xiàn)對各傳感終端的管理，同時通過多種認證方式提高數(shù)據(jù)的安全性。

EMQ一方面將設備ID、NB-IoT網(wǎng)絡信號、網(wǎng)絡時間、土壤信息存入MySQL數(shù)據(jù)庫中，為第三方應用或者農(nóng)田土壤研究提供數(shù)據(jù)支持；另一方面將土壤信息展示在物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)工具Node-red中，以靈活的方式展示數(shù)據(jù)。

5 農(nóng)田現(xiàn)場測試

為進一步驗證傳感終端的功耗以及穩(wěn)定性，在四川省雅安市四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)場進行了試驗。在蘿卜地部署3個傳感終端，間隔500 m，使用2 000 mA·h鋰電池供電，將土壤濕度探頭插入土層25 cm處，溫濕度傳感器置于土壤表面，每個傳感終端一天采集6次數(shù)據(jù)，時間點分別在早晨、上午、中午、下午、夜晚、深夜，數(shù)據(jù)采集、發(fā)送后，系統(tǒng)立即進入睡眠狀態(tài)。

系統(tǒng)連續(xù)工作一個月，在MySQL數(shù)據(jù)庫中查看各區(qū)域、各時間段的終端數(shù)據(jù)，表1為某天設備1的統(tǒng)計結果。測量的設備睡眠時的電流以及鋰電池輸出電壓見表2所列。測試表明，主控模塊工作穩(wěn)定，能夠在規(guī)定時間被鬧鐘喚醒，并開啟傳感器模塊，喚醒NB-IoT模塊，傳感器完成對土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的采集后，NB-IoT獲取網(wǎng)絡時間并發(fā)送數(shù)據(jù)至服務器，無異常數(shù)據(jù)；工作一個月后鋰電池電壓下降小于0.18 V，壽命能達到6個月，滿足了設計需求。

表1 設備1各時間段土壤環(huán)境信息

表2 各設備供電信息

6 結 語

本文將NB-IoT技術與傳感器結合，自行設計傳感終端電路，以低功耗方式完成對農(nóng)田土壤環(huán)境的監(jiān)測。經(jīng)驗證，傳感終端能夠按需采集數(shù)據(jù)，完成對土壤含水量以及土壤表面溫濕度信息的監(jiān)測，并通過NB-IoT網(wǎng)絡傳輸至服務器，成本低，體積小，部署方便，工作穩(wěn)定，壽命長，為西南地區(qū)感知農(nóng)場需求提供了具體途徑和方法。接下來，將在傳感終端加入如光照、土壤pH等傳感器，組成傳感器陣列，進一步實現(xiàn)對農(nóng)機設備的控制與對農(nóng)田環(huán)境的遠程調節(jié)，滿足智慧農(nóng)業(yè)的需求。