基于NB-IOT的多參數智慧農業大棚系統設計

馬 俊，秦 娟，姬馨玉

（天津理工大學電氣電子工程學院，天津 300384）

0 引言

就傳統農業大棚種植而言，許多地方依舊保持著傳統人工管理模式，想要了解具體農業大棚的一些數據，都需要親自考察，給管理帶來許多不便因素。利用物聯網來監測農業大棚的技術也是局限Zigbee技術、藍牙、GPRS和3G技術等。如孟令月利用Zigbee技術來監測農業大棚溫濕度，并實現數據分析；趙曉菲基于STM8S設計實現了溫濕度檢測系統；張金龍設計利用無線通信模塊nRF24L01實現數據采集的溫濕度監測系統；以上幾種設計方法或多或少都存在一些問題，如局限性較大，受環境以及物理線路布局的影響，不具有穩定性。

NB-IOT技術是一種新興的物聯網技術，具有大容量、廣覆蓋、深穿透、低成本、低功耗等特點，其最大的特點是傳輸距離能夠達到10千米，可連接終端數目龐大，數據可以直接上傳云端。因此，該技術為物聯網的創新應用帶來了良好的技術支持，可實現真正意義上的大規模連接。

基于以上因素，本文系統以STM32控制器為核心，配置以CO2和溫濕度傳感器以及光敏傳感器，利用NB-IOT技術開發了一個多參數智慧農業大棚系統，實現農業大棚的數據采集及傳輸，滿足了實時監測土壤溫濕度、空氣CO2濃度和光照度的要求，具有廣泛應用前景。

1 系統設計方案

1.1 系統功能需求

多參數采集系統能夠采集農田的土壤溫濕度、CO2濃度、光照度等環境信息，實時采集農田多點的信息并上傳；云端的環境監測平臺可以進行查詢、管理和控制環境數據；系統能夠實現一定程度自動化，定時按時開啟設備。云端監測平臺能夠對于不同的操作員設置不同的權限級別。系統采用模塊化程序設計方法，便于技術維護人員補充、維護。

1.2 系統總體架構

本文設計了一種基于NB-IOT的多參數智慧農業大棚監控系統，系統具體構架如圖1所示，其作用在于對溫室大棚的土壤溫濕度、CO2濃度、光照度進行采集和遠程監測與控制，包括傳感器進行多路數據采集、窄帶通信、遠程控制三部分。其中，多路數據采集部分，用于采集農業大棚多點的多個參量數據信息；窄帶通信部分，用于將傳感器采集的信息發送到主干網；遠程控制部分，用于發送數據到云服務器平臺和云端的監測平臺。

2 系統硬件設計

該系統由多種傳感器模塊采集農田多點的環境數據，采集的數據由STM32的串口傳輸至NB-IOT模塊BC95，采用了AT指令通信，由NB-IOT網絡發送至云服務器，最終實現云端的監測和控制。

圖1 總體設計圖

2.1 數據采集部分設計

溫濕度傳感器選用DHT11，該傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其采用了專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點，并可一次傳送40位數據，單線具有1～65535lx的高分辨率。如圖2所示。

圖2 溫濕度采集電路

光照采集模塊采用了基于數字式的BH1750FVI，電流隨光照度增強呈線性變換，并具有1～65535lx的高分辨率。內部含有微信號放大器、高精度電源和修正電路，具有工作電壓范圍寬，溫度穩定性好等優點。如圖3所示。

圖3 光照度采集電路

CO2采集模塊采用CCS811，該傳感器基于CCS的微加熱板技術，與傳統金屬氧化物傳感器相比，其簡化了設計，延長了電池續航時間，縮減了系統成本，顯著地降低了平均功耗。如圖4所示。

圖4 CO2采集電路

2.2 核心處理器

核心處理器采用STM33F103系列，該系列單片機是ST公司推出的高性能單片機系列，具有8KB程序存儲器、640B的數據EEPROM，1KB RAM，調試下載程序簡單且速度快，是一款功能強大而且性價比極高的單片機。如圖5所示。

圖5 核心處理器

2.3 數據傳輸

無線通信部分由NB-IOT模塊、運營商基站和運營商IOT連接管理平臺組成。數據的發送需要通過NB-IOT模塊與運營商基站協作完成，基站負責轉發節點數據至運營商IOT連接管理平臺，IOT連接管理平臺負責NB-IOT設備的注冊與數據的編解碼，最后接入到主干網并進行通信與處理。如圖6所示。

圖6 NB-IOT通信原理圖

3 系統軟件設計

系統要先進行初始化設置，初始化設置后，單片機向DHT11溫濕度傳感器和BH1750FVI光敏傳感器發送初試化脈沖；數據采集單元部分實現對農田溫濕度、光照度、CO2氣體多個參數同時進行監測。傳感器采集數據與STM32進行數據交互。STM32為數據處理端，連接傳感器與NB-IOT模塊，分析、顯示、存儲來傳感器的實時數據，并同時將數據封裝為NB-IOT模塊中“AT+NMGS”指令發送數據時所必需ASCII文本格式數據。隨后NB-IOT模塊接收到STM32傳輸的數據后，發送到NB-IOT運營商基站，基站負責轉發節點數據至運營商IOT連接管理平臺IOT連接管理平臺負責NB-IOT設備的注冊與數據的編解碼，最后接入到主干網并進行通信與處理，并在云端平臺進行顯示和控制。如圖7所示。

4 實驗結果及分析

在系統設計完成后，將傳感器放入了溫濕度試驗箱進行測試，模擬農田的環境信息。將該系統的每隔1小監測1次數據，再與實際的環境數據量進行對比，其結果見表1～3。通過測量數據與實際數據的對比，此系統能滿足了實時監測的要求，相關控制設備能夠正常開啟或關閉。

圖7 系統執行流程圖

表1 溫度數據統計結果

表2 濕度相關數據統計結果

表3 CO2濃度相關數據統計結果

5 結束語

本文設計了一種基于NB-IOT的多參數智慧農業大棚監控系統。通過傳感器模塊采集信息，并利用NB-IOT模組進行遠距離通信，將采集到的信息傳送到服務器，更好地實現了對環境信息的遠程采集、實時檢測，滿足了實時監測的要求，不僅能實時將采集到農業大棚的溫濕度、CO2濃度和光照度，而且能大大降低早期對傳感器傳輸數據的建造、施工和維護成本，不造成物力財力的浪費；能夠同時監測多路的溫濕度、光照度、CO2濃度，并將采集到的信息通過遠距離傳輸給服務器，進行遠程監測和控制，大大提高了該裝置的可靠性和可維護性。