一種智能大棚的溫濕度檢測系統(tǒng)

金恩曼 陳培余

摘要：針對大棚種植中溫濕度等環(huán)境參數(shù)實時檢測存在的問題，筆者結合最新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術，提出了一種新型的智能大棚溫濕度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于STM32微處理器，選用DHT11溫濕度傳感器，選用華為OceanConnect作為物聯(lián)網(wǎng)云平臺，給出了整個系統(tǒng)的軟硬件設計方案。測試表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，滿足智能大棚溫濕度實時檢測需求。

關鍵詞：智能大棚;溫濕度;NB-IoT;OceanConnect

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0085-03

0 引言

我國是人口大國，又是農(nóng)業(yè)大國，大棚種植在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位。又隨著人們生活水平的提高，對大棚種植農(nóng)產(chǎn)品的品質提出了更高的要求。溫度和濕度是影響大棚種植的關鍵環(huán)境因素，因此對大棚溫濕度的檢測具有非常重要的意義。

最早的大棚溫濕度檢測以人工方式為主，該方式工作量大，效率低，成本高。隨著計算機技術尤其是通信技術的發(fā)展，基于自動化的實時檢測系統(tǒng)成為主流。目前多數(shù)系統(tǒng)采用基于Zigbee組網(wǎng)通信技術的檢測方式，該方式具有低功耗和組網(wǎng)能力強等優(yōu)點，但存在通信距離短，需要大量網(wǎng)關開銷等缺點[1]。當前，隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術（NB-IoT）的不斷成熟，芯片成本不斷下降，NB-IoT在智慧農(nóng)業(yè)中的應用成為新的發(fā)展趨勢。NB-IoT具備廣覆蓋、大連接、低功耗和低成本等特點，非常適合點多且分散的室外應用場景[2]-[3]。本文將采用NB-IoT技術、結合傳感器技術、微處理技術和移動互聯(lián)技術，解決智能大棚內溫濕度檢測存在的布線難和不能遠程監(jiān)控等問題。

1 系統(tǒng)架構和功能

本系統(tǒng)是綜合嵌入式軟硬件技術、NB-IoT通信網(wǎng)絡、華為OceanConnect云平臺和移動APP為一體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。如圖1所示，溫濕度傳感器、STM32主控制器和NB-IoT模塊組成信息采集端，該采集端作為獨立的嵌入式系統(tǒng)，分布于大棚內的主要區(qū)域。主控芯片通過單總線協(xié)議采集溫濕度數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT網(wǎng)絡上傳到華為云平臺。華為云平臺提供基于NB-IoT通信業(yè)務的物聯(lián)網(wǎng)終端設備的快速接入，實現(xiàn)溫濕度信息的可視化展示和管理。云平臺向信息采集端提供基于CoAP協(xié)議通信的南向接口，向應用服務器提供基于HTTP協(xié)議通信的北向接口。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，主要由溫濕度傳感器，最小系統(tǒng)和NB-IoT模塊及其外圍電路等3大部分組成。

2.1 溫度傳感器

溫濕度傳感器采用DHT11芯片。該芯片是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。具有成本低、響應快、抗干擾強、精確校準等優(yōu)點。該芯片具有4個引腳，分別為VDD、DATA、NC和GND。DHT11與微處理的硬件連線如圖3所示，其中VDD（1 Pin）為芯片供電引腳，供電電壓3V-5.5V，DATA引腳（2 Pin）為串行數(shù)據(jù)線，與主控器的GPIO口連接，實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集，NC引腳懸空，GND（4Pin）引腳接地。

2.2 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)中包括主控制器、電源、晶振、復位電路和下載電路。主控制器采用STM32L431RCT6芯片，該處理器基于ARM-M4內核，32位位寬，運算速度快，處理能力強，并支持睡眠等低功耗工作模式，內部集成豐富的接口資源，是意法半導體公司針對物聯(lián)網(wǎng)應用場景推出的一款高性能處理器[4]。晶振電路可以使用內部晶振和外部晶振，只需通過軟件配置即可，本系統(tǒng)中，選用8MHz的外部晶振;復位電路用來使系統(tǒng)恢復到出事狀態(tài)的電路，本系統(tǒng)設計中，復位引腳連接彈性按鍵接地，并在按鍵上并聯(lián)一個電容;下載接口使用SWD 四線接口。

2.3 NB-IoT模塊及外圍電路

本系統(tǒng)中，NB-IoT模塊采用Quectel的BC95模組。該通信模組工作在850MHz頻段，支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP通信協(xié)議，發(fā)射功率為23dB±2dB，并支持省電模式（PSM）下。主控制器以AT指令控制BC95模組，通過串口與NB-IoT模組通信。當處理器采集到溫濕度數(shù)據(jù)后，由BC95模組通過射頻天線發(fā)送到基站，經(jīng)運營商核心網(wǎng)絡到達華為云平臺。

NB-IoT模塊外圍電路如圖2所示，主要包括供電電路、通信接口電路、SIM卡電路、濾波天線電路。供電電源采用板載3.3V供電，電源端連接電容并接地;通信接口主要為串口，實現(xiàn)模組和MCU之間通信。由于NB-IoT使用蜂窩網(wǎng)絡，因此與手機通信一樣，需要有SIM卡進行身份的識別和鑒權。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要分為信息采集端軟件設計，云平臺開發(fā)和移動端App開發(fā)三個部分。

3.1 信息采集端軟件設計

信息采集端軟件設計實現(xiàn)功能包括最小系統(tǒng)的正常運行，溫濕度數(shù)據(jù)的采集和NB-IoT模組的入網(wǎng)。其中最小系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用STM32CubeMX工具。該工具是意法半導體公司針對STM32系列MCU推出的圖形化開發(fā)工具，通過圖形化的配置自動生成開發(fā)初期芯片相關的初始化代碼。本系統(tǒng)中，利用STM32CubeMX完成系統(tǒng)時鐘、定時器、串口初始化等功能配置并生成基本開發(fā)環(huán)境。采集端軟件開發(fā)流程如圖4所示，微處理器通過下發(fā)AT指令完成NB-IoT模組入網(wǎng)，開啟定時功能，周期性采集溫濕度數(shù)據(jù)并上報。

（1）溫濕度數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)中，主控制器通過GPIO端口引腳連接DHT11的DATA管腳，實現(xiàn)單總線的數(shù)據(jù)采集。該總線即作為MCU的輸出控制總線，又作為DHT11的數(shù)據(jù)輸入總線。用戶主機（MCU）發(fā)送一次開始信號后， DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，待主機開始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集。其中位數(shù)據(jù)“0”的格式為：50ms的低電平和26-28ms的高電平，位數(shù)據(jù)“1”的格式為：50ms的低電平加70ms的高電平?？刂艱HT11芯片獲取溫濕度數(shù)據(jù)的時序參考該芯片使用手冊。

溫濕度采集測試結果如圖5所示。

（2）NB-IoT入網(wǎng)。由于NB-IoT網(wǎng)絡馱載在移動蜂窩上的，因此跟手機通信一樣，在進行數(shù)據(jù)傳輸之前要向基站注冊入網(wǎng)。控制器采集到溫濕度數(shù)據(jù)后，按照用戶自定義協(xié)議編碼，通過串口發(fā)送至NB-IoT模組，模組將數(shù)據(jù)封裝成CoAP協(xié)議包后發(fā)送至基站，最后經(jīng)核心網(wǎng)轉發(fā)至IoT平臺處理。在整個通信過程中，MCU對模組控制以及數(shù)據(jù)的發(fā)送接收都是基于AT命令實現(xiàn)的[5]。如圖6AT命令測試結果所示，為本系統(tǒng)中關鍵AT指令及其返回信息：1）指令“AT+CGSN=1”：查詢模塊序列號。本系統(tǒng)中BC95模塊序列號為867725030245702，該序列號將在云平臺部署時被使用。2）指令“AT+CSQ”：查詢當前環(huán)境信號強度，范圍為0-31。本系統(tǒng)測試環(huán)境信號強度為17，信號一般。3）指令“AT+CEREG？”：查詢網(wǎng)絡注冊狀態(tài)，即查詢網(wǎng)絡注冊是否成功。本系統(tǒng)中，執(zhí)行該命令后返回結果第二個參數(shù)為“1”，表示注冊成功;否則為“0”，表示尚未注冊成功。4）指令“AT+NCDP=49.4.85.232，5683”：配置CDP服務器（云平臺）的IP地址及端口，本系統(tǒng)中，華為OceanConnect云平臺地址為49.4.85.232，端口號為5683。5）指令“AT+NMGS=3，010203 ”：向CDP服務器上報數(shù)據(jù)。第一個參數(shù)為數(shù)據(jù)長度，第二個參數(shù)為十六進制數(shù)據(jù)。

3.2 云平臺部署

物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供設備接入、設備管理和數(shù)據(jù)分析存儲功能，并向各種應用提供接口服務。本系統(tǒng)采用華為的OceanConnect云平臺做應用開發(fā)。該平臺通過開放API和IoT Agent實現(xiàn)與上下游產(chǎn)品能力的無縫聯(lián)接，從而給客戶提供端到端的高價值行業(yè)應用。OceanConnect云平臺開發(fā)工作主要包括產(chǎn)品創(chuàng)建、Profile定義、編解碼插件開發(fā)、真實設備部署。

（1）產(chǎn)品創(chuàng)建：設置產(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品型號、廠商ID、設備類型以及應用層協(xié)議類型。

（2）Profile定義：即設備的抽象模型，用于描述設備具備的能力和特性。OceanConnect提供多種設備的Profile模板，用戶可直接在此基礎上修改，或者也可以自定義產(chǎn)品模板。本系統(tǒng)中，根據(jù)溫濕度傳感器的屬性，創(chuàng)建一個Humiture的服務，在該服務下依次創(chuàng)建Temperature和Humidity屬性，數(shù)據(jù)類型為decimal。

（3）編解碼插件開發(fā)：由于NB-IoT設備上報數(shù)據(jù)一般采用二進制格式，而物聯(lián)網(wǎng)云平臺采用Json格式，因此，需要進行編解碼插件開發(fā)，實現(xiàn)二進制數(shù)據(jù)和Json格式數(shù)據(jù)的轉換，從而實現(xiàn)NB-IoT終端和OceanConnect通信。

（4）部署真實設備：設置設備名稱和設備標識。設備標識為必須唯一，一般為IMEI或MAC號。本系統(tǒng)中使用BC95模塊序列號867725030245702。

云平臺測試結果如圖7所示，當前溫度為28.0℃，濕度為95.0RH%。

3.3 移動端App設計

為實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)遠程檢測功能，本文基于Android Studio工具開發(fā)了一款溫濕度檢測APP。該App登錄界面為云平臺的接入信息，包括云平臺IP地址和端口號，應用ID及密碼，顯示界面包括溫度值和濕度值，移動終端App及其測試結果如圖8所示。

4 結語

本文結合最新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術，設計了一種溫濕度檢測系統(tǒng)。對系統(tǒng)總體方案、軟硬件設計進行了詳細闡述。測試結果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)遠程檢測功能。該系統(tǒng)具有設備節(jié)點管理方便、功耗小、成本低、數(shù)據(jù)可靠性高等優(yōu)點，適用于智能大棚等智慧農(nóng)業(yè)應用場景。

參考文獻

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