基于NB-IoT的茶園生境監(jiān)測DTU設(shè)計

李兆雄，張朝陽，劉 暉，羅旭輝

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013）

0 引 言

在茶園生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置中，DTU的主要功能是定時將各外接傳感器獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過通信模塊上傳到位于云端的服務(wù)器，并在發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后關(guān)閉外接傳感器、通信模塊，從而達到節(jié)能的目的。本設(shè)計的DTU由帶有開關(guān)控制的多接口數(shù)據(jù)傳輸單元和NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）網(wǎng)絡(luò)模組組成，是裝置的核心，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸。DTU的性能影響著整個裝置的可靠性和可用性。

1 LPWAN與NB-IoT

經(jīng)過二十多年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，RFID、UWB、Bluetooth、ZigBee、WiFi、2G/3G/4G等技術(shù)被廣泛應(yīng)用。以傳輸距離進行劃分，RFID、UWB、Bluetooth為近距離傳輸技術(shù)，ZigBee和WiFi為中等距離傳輸技術(shù)。而對于遠距離廣域覆蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，目前主要是蜂窩物聯(lián)技術(shù)，使用移動通信運營商提供的2G/3G/4G實現(xiàn)對因特網(wǎng)的訪問。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常是其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)的入口。值得注意的是，2G/3G/4G本身不是針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來設(shè)計的，其設(shè)計初衷是應(yīng)用于人與人的通信，并非物與物的聯(lián)接，其缺陷是功耗較大。

因此，LPWAN（Low Power Wide Area Network,LPWAN）應(yīng)運而生。LPWAN是低功耗廣覆蓋技術(shù)的簡稱，具有通信距離遠、功耗低、網(wǎng)絡(luò)部署成本低等特點，適合用于大規(guī)模、非實時、低數(shù)據(jù)量的通信場景。

低功耗廣域接入技術(shù)根據(jù)實現(xiàn)方式和使用頻段的不同可以分為兩大陣營，一個是以NB-IoT、eMTC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為代表的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)陣營，使用授權(quán)頻段；另一個則是以LoRa、Sigfox、Ingenu等窄帶技術(shù)為代表的非授權(quán)頻段技術(shù)陣營。其中，NB-IoT和LoRa最具代表性，表1為NB-IoT和LoRa的技術(shù)參數(shù)對比。

表1 NB-IoT和LoRa的技術(shù)對比

從表1可以看出，NB-IoT工作在授權(quán)頻段，相對來說干擾少，安全性高，相同環(huán)境下，NB-IoT覆蓋距離更遠，且NB-IoT使用運營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)可直接傳輸，無需網(wǎng)關(guān)設(shè)備。綜合對比，NB-IoT更適合山區(qū)茶園這類使用場景。

2 總體設(shè)計

本設(shè)計的DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）主要由STM32微處理器、NB-IoT通信模組、控制電路組成，控制電路根據(jù)嵌入程序設(shè)定的時間定時開啟傳感器的電源，提取各項環(huán)境數(shù)據(jù)，所提取的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模組傳送到位于云端的服務(wù)器，并將獲取的數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集完畢后，斷開為傳感器供電的電源，同時使NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模組進入休眠狀態(tài)，達到降低能耗的目的。環(huán)境監(jiān)測傳感器包括大氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照強度傳感器，傳感器接口通信采用Modbus協(xié)議。DTU設(shè)計有本地網(wǎng)絡(luò)接口，可通過RJ 45接口配置DTU。

茶園環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置實物與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 茶園環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置實物與結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計

3.1 主板設(shè)計

針對帶有NB-IoT模組的DTU，進行PCB設(shè)計時需注意電源部分的走線應(yīng)盡量遠離射頻部分，主電源走線的寬度要保證1 A的電流能夠安全通過，電源部分的地平面盡量完整，多打地孔。由于信號不好時，NB-IoT模塊可能存在瞬間大電流的情況，引起開關(guān)噪聲，影響其他電路，為避免出現(xiàn)這種噪聲，在模塊電源和其他電路的電源處做隔離處理，采用LC濾波電路，使用470 μH、額定電流大于1.2 A的繞線電感。DTU主板PCB設(shè)計如圖2所示，DTU主板實物如圖3所示。

圖2 DTU主板PCB設(shè)計

圖3 DTU主板實物

3.2 STM32F107VCT6處理器

STM32F107VCT6處理器是一款32位ARM芯片，它具有64 KB RAM和256 KB的閃存，有較好的兼容性和較高的穩(wěn)定性。同時該芯片內(nèi)部集成以太網(wǎng)10/100 MAC模塊（支持MII和RMII），連接外部以太網(wǎng)物理層接口芯片DP83848IVVX就能實現(xiàn)一個完整的以太網(wǎng)收發(fā)器，方便通過以太網(wǎng)口對設(shè)備進行參數(shù)配置和固件升級。因此該芯片能比較好地滿足茶園生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控設(shè)備對數(shù)據(jù)收集、傳輸與控制的需求。STM32F107VCT6處理器實物如圖4所示，STM32F107VCT6處理器引腳功能如圖5所示。

圖4 STM32F107VCT6處理器實物

圖5 STM32F107VCT6處理器引腳功能

3.3 繼電器

本設(shè)計中，控制電腦通過繼電器開關(guān)來控制外接傳感器的供電，在嵌入的軟件中可以設(shè)置接通外接傳感器的時間段。在接通時段內(nèi)接通傳感器，并采集傳感器傳回的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳完畢后，關(guān)閉外接傳感器，使DTU進入待機狀態(tài)。繼電器控制電路如圖6所示。

圖6 繼電器控制電路

3.4 NB-IoT通信模組

本設(shè)計采用移遠BC95通信模組，這是一款高性能、低功耗的NB-IoT 無線通信模組，功耗小、靈敏度高、尺寸緊湊、工作溫度范圍較寬，非常適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的野外工作環(huán)境。NB-IoT通信模組實物及原理如圖7所示。

圖7 NB-IoT通信模組實物及原理

3.5 電源

本設(shè)計的DTU工作在野外，山區(qū)溫差、潮濕等會對硬件電路造成信號干擾，為此DTU主板的電源芯片采用LM2596和AMS1117。AMS1117的工作方式屬于完全負反饋方式，在電源抑制方面比開關(guān)電源性能更強，尤其在小信號處理電路方面取得了不錯的效果，其快速瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲抑制優(yōu)勢突出，片內(nèi)集成過熱保護和過流保護模塊，保證芯片和系統(tǒng)可靠運行。電源模塊電路如圖8所示。

圖8 電源模塊電路

3.6 485通信接口

I/O輸入接口采用高精度光耦芯片隔離，減少干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。485通信接口使用MAX1348系列芯片。RS 485通信接口電路如圖9所示。

圖9 RS 485通信接口電路

3.7 本地網(wǎng)絡(luò)接口

本地網(wǎng)絡(luò)接口可快速實現(xiàn)本地配置及管理功能。本地以太網(wǎng)接口電路如圖10所示。

圖10 本地以太網(wǎng)接口電路

4 軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸單元的嵌入式軟件在設(shè)備加電后，完成初始化，載入外設(shè)驅(qū)動后啟動主程序，通過控制繼電器啟動外接傳感器和NB-IoT通信模組，通過Modbus接口得到傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)傳輸完成后，關(guān)閉傳感器和通信模組，設(shè)備進入休眠狀態(tài)，此時僅時鐘控制部分持續(xù)工作，在下一個預(yù)設(shè)時鐘周期（預(yù)設(shè)時鐘可以根據(jù)需要從1 min到2 h進行調(diào)整）到來時，再次加載外設(shè)驅(qū)動，完成新一輪的數(shù)據(jù)采集和傳送。DTU嵌入式程序流程如圖11所示。

圖11 DTU嵌入式程序流程

5 DTU數(shù)碼管顯示

為方便野外布署時調(diào)試設(shè)備，DTU設(shè)置了5位LED數(shù)碼管，通過數(shù)碼管的顯示可以直觀了解DTU的工作狀態(tài)。

5.1 狀態(tài)碼

狀態(tài)碼見表2所列。

表2 數(shù)碼管顯示的狀態(tài)碼

5.2 錯誤碼

錯誤碼見表3所列。

表3 數(shù)碼管顯示的錯誤碼

6 實際應(yīng)用

實際應(yīng)用中，DTU線路板安裝在金屬機殼中，使用接口連接，確保在野外使用的穩(wěn)定性。圖12所示為監(jiān)測裝置的外觀和DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）在機箱中的安裝圖示。

圖12 監(jiān)測裝置外觀和DTU在機箱的安裝圖示

目前，該系統(tǒng)已在福建武夷山巖茶產(chǎn)區(qū)、寧德白茶產(chǎn)區(qū)安裝使用，可穩(wěn)定持續(xù)地監(jiān)測茶園的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)。

7 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，三大運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)更加成熟。經(jīng)過實地測試，在福建主要茶產(chǎn)區(qū)，大多數(shù)茶園可以接收到NB-IoT信號，尤其以中國電信的信號覆蓋范圍更廣。在4G、5G信號無法覆蓋的山區(qū)，使用NB-IoT技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，能夠在其他監(jiān)測方式不易使用的福建丘陵山區(qū)環(huán)境中，實施對茶園生境數(shù)據(jù)的遠程持續(xù)監(jiān)控。DTU設(shè)計簡單，具有低功耗、廣覆蓋、少維護等特點。通過基于NBIoT的DTU設(shè)計，降低了監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的難度，有利于山區(qū)茶園生境監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取，為福建茶葉的種植管理及相關(guān)科學(xué)研究提供了準(zhǔn)確、詳細、持續(xù)的數(shù)據(jù)資料，對提高茶葉種植的精細化和數(shù)字化程度具有重要的推動意義。