基于NB-IoT智慧農(nóng)業(yè)研究與設(shè)計

周廣證 孫永潔 欒迪

摘要：利用物聯(lián)網(wǎng)框架設(shè)計了基于NB-IoT的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括主控芯片、無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、智能控制模塊、LCD顯示模塊。利用傳感器采集環(huán)境參數(shù)，使用NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)與華為云平臺進(jìn)行通信，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸與顯示以及智能控制。用戶無須到現(xiàn)場就能在電腦或手機(jī)上實(shí)時觀測并控制溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制農(nóng)作物的目的。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;智慧農(nóng)業(yè);監(jiān)測與控制

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0102-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

過去，我國大多采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，這種方式主要是根據(jù)種植經(jīng)驗來經(jīng)營管理農(nóng)業(yè)，雇傭大量的勞動力來生產(chǎn)，離信息化、智能化的管理要求相差甚遠(yuǎn)。但是，伴隨我國經(jīng)濟(jì)不斷騰飛，科技水平不斷發(fā)展，管理設(shè)備不斷創(chuàng)新改進(jìn)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)落伍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人民和國家發(fā)展的需要[1，2]。

近年來，產(chǎn)生了最新一代的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)，NB-IoT作為其中一員也得到了快速的發(fā)展。這項技術(shù)和一些較常用的如ZigBee和LoRa相比，有巨大優(yōu)勢，擁有超低功耗、超強(qiáng)覆蓋、超低成本、超大容量等特點(diǎn)，對需要長時間待機(jī)、高效網(wǎng)絡(luò)連接要求的設(shè)備更友好[3，4]。依靠該技術(shù)，智慧農(nóng)業(yè)走進(jìn)普通百姓生活中，可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境中溫度、濕度和光強(qiáng)的實(shí)時在線監(jiān)測，同時也能夠智能化地調(diào)節(jié)環(huán)境中的溫度、濕度、光照，有效提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率與農(nóng)民的工作效率。

本文借助小熊派開發(fā)板設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于NB-IoT的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以采集到農(nóng)作物生長環(huán)境中的溫濕度、光強(qiáng)等參數(shù)，因此很容易監(jiān)測農(nóng)作物生長狀況。若溫度或者光照強(qiáng)度出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)可以自動進(jìn)行調(diào)控，用戶還可以使用物聯(lián)網(wǎng)云平臺發(fā)現(xiàn)和控制，而后進(jìn)行相應(yīng)處理。本系統(tǒng)的設(shè)計研究對農(nóng)業(yè)和NB-IoT技術(shù)的結(jié)合有著重要意義。

1系統(tǒng)分析與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

我國農(nóng)業(yè)目前普遍采用粗放型溫室種植方式，不僅耗費(fèi)大量的物力財力人力，還無法保證產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)地理環(huán)境具有復(fù)雜性，需要采集的環(huán)境參數(shù)具有多樣性，以往有關(guān)系統(tǒng)設(shè)計無法滿足要求[5]。因此，通過分析，本文提出基于NB-IoT智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)方案，可以對農(nóng)作物進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、智能化管理，能使得農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率意義重大。具體功能是通過傳感器采集農(nóng)作物生長環(huán)境的溫濕度、光強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)時上傳到設(shè)備端與云端;設(shè)備端LCD屏幕實(shí)時顯示采集到的參數(shù)數(shù)值和控制設(shè)備的狀態(tài);系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能化控制，通過控制小燈，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光作用，電機(jī)模擬風(fēng)扇，控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)降溫作用。云平臺可以查看上傳的歷史數(shù)據(jù)，可以下發(fā)指令在線控制環(huán)境數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)基設(shè)計了一種基于NB-IoT技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要目的是通過多種環(huán)境傳感器和無線通信技術(shù)，使用戶能夠快速知曉農(nóng)作物生長環(huán)境的情況，若出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會自動做出決策，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的控制。組成智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的傳感檢測層的模塊是核心控制模塊、無線通信模組、測量模塊。其中，核心控制模塊主要負(fù)責(zé)執(zhí)行傳感檢測層的控制循環(huán)，即實(shí)現(xiàn)自動控制燈光彌補(bǔ)光照不足和自動啟動電機(jī)降低溫度的功能。測量模塊的作用是監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度。處于中間位置的數(shù)據(jù)傳輸層主要作用是連接終端和應(yīng)用，采集到的數(shù)據(jù)在進(jìn)行了一系列的傳輸后，最終能在云平臺上顯示出來，傳輸層功不可沒。App應(yīng)用是在應(yīng)用軟件層上開發(fā)的，可以存儲和管理獲取到的數(shù)據(jù)，將溫度、濕度、光強(qiáng)參數(shù)可視化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的開發(fā)離不開硬件平臺的支持，硬件設(shè)備掌控系統(tǒng)的運(yùn)行和推進(jìn)軟件的開發(fā)。圖2是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。通過傳感器采集環(huán)境參數(shù)，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹C35-G通信模組，NB-IoT無線通信模組能夠通過AT指令上傳數(shù)據(jù)并發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)云端監(jiān)測和控制。

2.1 核心控制模塊

核心控制模塊主要是由主控芯片和無線通信模組構(gòu)成。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對主控芯片要求高，可擴(kuò)展的通信接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集計算能力條件二者缺一不可，要求該模塊在執(zhí)行控制功能時不能消耗太多的功率。因此，本系統(tǒng)的主控板采用由ARM公司研發(fā)的Cortex-M4 32位處理器內(nèi)核的STM32L431RCT6芯片，CPU速度高達(dá)80MHz，程序存儲容量有256KB，64KB的RAM，是一款安全可靠、功耗低、開發(fā)成本低的芯片[6]。

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)既要能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，又要有廣泛網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。為了實(shí)現(xiàn)NB-IoT無線通信功能，需要選擇NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)專用SIM卡聯(lián)合運(yùn)營商基站，并且數(shù)據(jù)通過CoAP協(xié)議上傳到華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺[7]。因此，選擇NB35-A作為NB-IoT無線通信模組，采用移遠(yuǎn)BC35-G模組，能夠支持多個頻段，符合GSM/GPRS系列的M35模塊設(shè)計，便于客戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計;雙排針封裝使焊接更容易，對AT指令有關(guān)的測試只要通過TTL將計算機(jī)連接到USB工具就能夠?qū)崿F(xiàn)。BC35-G模組與單片機(jī)之間的互通十分迅速，這也加速終端的構(gòu)建。尺寸僅為40mm×30mm×8，可在小型模塊產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備應(yīng)用，并且?guī)椭蛻艚档彤a(chǎn)品成本。憑借超低功耗、緊湊尺寸，NB35-A成為IoT領(lǐng)域理想選擇，廣泛應(yīng)用在諸多行業(yè)。

2.2 環(huán)境因子監(jiān)控模塊

溫濕度傳感器型號為SHT30，具備智能性、可靠性和高精度規(guī)格。擁有處理高強(qiáng)度信號的能力，通信速度高達(dá)1MHz，向用戶提供可選擇的I2C地址。2.4V～5.5V的寬電源電壓范圍保證了不同裝配場合的兼容性。如圖3所示。

本系統(tǒng)開發(fā)板使用的是串行總線接口，所以選擇型號是BH1750的數(shù)字型光照強(qiáng)度傳感器。不同強(qiáng)度的光照射到光敏二極管上，由此采集到不同大小的反向光電流，電流在運(yùn)算放大器的作用下，轉(zhuǎn)換成了電壓。最后電壓通過16位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，進(jìn)而收集不同光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整亮度，具有較高的精度和可靠性。如圖4所示。

2.3 智能控制模塊

智能控制模塊的作用是控制小燈和電機(jī)，從而改變溫度、光照強(qiáng)度，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)控制模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

本系統(tǒng)使用兩種控制方式，一種是自動控制，通過E53-IA1擴(kuò)展板上的電機(jī)來模擬風(fēng)扇。當(dāng)溫度傳感器檢測到環(huán)境溫度過高時，則自動打開電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，來降低環(huán)境溫度，降溫后，可以自動關(guān)閉電機(jī)。圖6是溫度自動控制流程圖。

對光照強(qiáng)度的控制是通過光強(qiáng)傳感器來實(shí)現(xiàn)，獲取到光強(qiáng)數(shù)據(jù)后和設(shè)定值進(jìn)行對比。如果環(huán)境中的光照強(qiáng)度在給定數(shù)值內(nèi)，則不做出任何控制。若傳感器采集到的數(shù)據(jù)小于設(shè)置數(shù)值時，即光強(qiáng)較弱，則需要開啟補(bǔ)光燈，光強(qiáng)數(shù)值正常后，補(bǔ)光燈會自動關(guān)閉。圖7是光照強(qiáng)度自動控制流程圖。

另一種控制方式是手動控制，若設(shè)備獲取數(shù)據(jù)不及時或檢測到的參數(shù)不準(zhǔn)確時，則可以通過開發(fā)板上的按鍵手動控制開關(guān)。此外還可以利用華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺下發(fā)命令來實(shí)現(xiàn)控制。

2.4? LCD顯示模塊

本系統(tǒng)采用LCD顯示屏模塊來滿足方便用戶觀察測量數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的狀態(tài)的功能要求。ST7789V2作為LCD驅(qū)動芯片，支持并行8080系列的8位/9位/16位/18位接口，也支持SPI串行通信接口。主要特點(diǎn)是連接便捷，可以直接連接到外部MCU。其次高效管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以存儲在240?320?18bits的片上RAM中。如果缺少外部操作時鐘，也能夠獨(dú)立完成顯示數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)減少功耗的目的。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)終端設(shè)備側(cè)軟件整體架構(gòu)如圖8所示。

在終端設(shè)備側(cè)主要是實(shí)現(xiàn)各個模塊初始化、參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)報告和數(shù)據(jù)分發(fā)。環(huán)境參數(shù)的獲取則需要環(huán)境因子測量模塊來實(shí)現(xiàn)，初始化和聯(lián)網(wǎng)需要BC35-G模組接收到云平臺下發(fā)的指令和主控芯片發(fā)送的AT指令才能實(shí)現(xiàn)。智慧農(nóng)業(yè)終端產(chǎn)品需要上報數(shù)據(jù)和下發(fā)命令時，通常上傳的是二進(jìn)制流，這就需要一個編碼或者解碼插件對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，如轉(zhuǎn)換成JSON數(shù)據(jù)格式，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的高效與可視化管理，其數(shù)據(jù)上報處理流程如圖9所示。

4系統(tǒng)測試

小熊派設(shè)備上線后連接華為云平臺，設(shè)備實(shí)時獲取溫濕度和光強(qiáng)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳遞給云平臺。在云平臺上可以實(shí)時顯示數(shù)據(jù)如圖10所示。對于燈光和電機(jī)控制可以在平臺直接實(shí)時下發(fā)控制也可以設(shè)定某個范圍內(nèi)自動控制。

5結(jié)束語

本文研究的是基于NB-IoT技術(shù)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。通過分析得知影響農(nóng)作物生長的因素，要想提高農(nóng)作物產(chǎn)量，帶來更多效益，則需要全面高效地監(jiān)測和控制環(huán)境因子參數(shù)。首先在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)監(jiān)測和控制。根據(jù)實(shí)時傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息來對燈和電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的環(huán)境因子光強(qiáng)和溫濕度的調(diào)整控制。測試結(jié)果表明，各種數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺上，用戶可以在云平臺上查看數(shù)據(jù)并可以進(jìn)行各種溫濕度光強(qiáng)的控制，借助云平臺資源，整體系統(tǒng)開發(fā)難度降低，為后續(xù)智慧農(nóng)業(yè)比如智能識別農(nóng)作物不同時段、葉子成長是否病變等狀態(tài)不同自動施肥噴藥提供了解決方案。

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【通聯(lián)編輯：梁書】