基于NB-IoT的多功能農業大棚監測及控制系統設計

李睿欣，姚磊，謝偉鴻

（200082上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

傳統農業中，農民靠經驗給農作物施肥、打藥、澆水，若判斷失誤則會導致顆粒無收。如今，智慧農業將大量傳感器節點構成監控網絡，并通過各種傳感器采集信息，用精確的數據告訴農民農作物的澆水量、施肥、噴藥的精確濃度，需要供給的溫度、光照、二氧化碳濃度等信息[1-4]。所有農作物在不同生長周期出現的問題都由信息化智能農業監控系統實時、定量精確把關，農業逐漸以人力為中心，依賴于孤立機械的生產模式轉化為信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備。

傳統智慧農業監控系統大多通過無線通訊WiFi，Zigbee模組采集農業大棚內部數據信息，這種方法存在如下缺點：Zigbee組網功耗相對較高，且容易受到農業大棚環境的干擾使信號強度降低；有線部署需要增加監控的線路才能實時監控，成本相對較高；利用物聯網來監測農業大棚的技術也是局限藍牙、GPRS和3G技術的通訊方式。使用功耗較高，且產生流量費用較多[5-6]。

針對以上問題，在研究了目前農業大棚控制系統的基礎上，本文設計了基于華為Lite-OS開發環境和 STM32L431RC高性能物聯網開發板的農業大棚監測及控制系統。采集傳感器數據。然后通過使用NB-IoT通信模塊[7-9]，實現了農業大棚內溫度、濕度和光照強度的數據的傳輸到華為云端，再通過華為云IoT平臺下發命令來控制農業電機和棚內LED的補光工作。

1 農業大棚系統的結構設計

農業大棚監測控制系統主要是通過NB-IoT通訊模組和物聯網技術，把大棚內采集到的空氣溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度及光照強度數據等環境參數進行數字化轉化后，實時上傳到華為云端進行匯總整合，農業管理人員登陸云端可實時觀測到大棚內的溫濕度和光強的實時精確數據，再根據農產品生長的各項指標要求進行定時、定量、定位的計算處理，最后，通過管理員操作云端下發命令來控制農業大棚內特定的農業設備，使其及時、精確地開啟或關閉。在本文設計的農業系統中，打開LED增加大棚內光照強度，打開風扇使通風扇運轉，實現大棚內空氣流通順暢。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集層

農業大棚的傳感器采集傳感器獲取的植物生長環境信息，通過布設在擴展板上的溫濕度傳感器SHT30和光照強度傳感器BH1750節點，實時收集農業大棚內土壤和空氣溫度、濕度、光照強度等參數。擴展板E53_IA1上的電機用來模擬風扇等一些農用通風電機，LED用來模擬農業大棚內的補光紫外線照燈。

2.1.1 溫濕度傳感器

如圖1所示，溫濕度傳感器選取SHT30,是一個完全校準的、現行的、帶有溫度補償的數字輸出型傳感器，具有 2.4～5.5 V的寬電壓支持，使用IIC接口進行通信，最高速率可達1 M并且有2個用戶可選地址。除此之外，它還具有8個引腳的DFN超小封裝。

圖1 溫濕度傳感器Fig.1 Temperature and humidity sensor

2.1.2 光照強度傳感器

如圖2所示，光照強度傳感器選取BH1750，該型號傳感器是一種用于兩線制串行總線接口的16位數字型光強度傳感器集成電路。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化。（1lx～65535lx）。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。

圖2 光照強度傳感器Fig.2 Photographic intensity sensor

2.1.3 電機

如圖3所示，該電機相當于普通的風扇的控制，通過一個GPIO來控制電機轉停。

圖3 電機Fig.3 Motor

2.1.4 補光燈

如圖4所示，該補光燈相當于普通的LED的控制，通過一個GPIO來控制燈的亮滅。

圖4 補光燈Fig.4 Supplementary light lamp

2.2 NB-IoT通信模塊

通信模塊采用NB35-A，是一個通過 NBIoT傳輸數據的通信擴展板，3.1～4.2 V的供電電壓，典型值是3.3 V。板載華為海思的通信模組BC35-G，支持IPv4/IPv6/ UDP/CoAP/LwM2M/TCP/MQTT等通信協議。NB-IoT通信模組電路如圖5所示。

圖5 NB-IoT通信模塊Fig.5 NB-IoT communication module

2.3 主控板

如圖6所示，微控制器選用基于STM32L431RCT6設計的高性能物聯網開發板，具有靈活的功耗管理系統，支持超低功耗.集成UART，I2C，SPI等通信接口。開發板充分考慮物聯網感知層設備的多樣性，具有強大的可擴展性，用于提供給開發者評估及快速設計相關物聯網的應用產品。

圖6 主控板Fig.6 Main control board

3 系統軟件開發

系統架構采用華為IoT Booster平臺和軟件開發服務,構建和部署應用系統軟件。研發了一套智慧農業大棚實時監測系統，實現了農業大棚內土壤濕度、空氣溫度、光照強度的全方位數據變化的監測和顯示，再根據農產品生長的各項指標要求，進行定時、定量的計算和處理，從而使特定的農業設備及時、精確地開啟或者關閉。本農業系統提供了快速開啟紫光燈以模擬農業大棚內的紫外線燈，從而補充日照不足的情況，適時開啟電機來模擬農業大棚內的風扇，來保持大棚內的空氣流通。提高界面的友好性與實用性,經由無線信號收發模塊傳輸數據，實現對大棚溫濕度的遠程控制。系統結構如圖7所示。

圖7 系統軟件結構Fig.7 Software structure

4 系統實例測試

本智慧農業大棚監控系統硬件平臺MCU選用STM32L431RCT6，搭載LiteOS Studio操作系統，編譯調試工程代碼。首先，準備好硬件平臺即STM32L431RC開發板，連接好智慧農業E53_IA1案例擴展板和NB35-A通信擴展板，NB35-A通信擴展板需要安裝 SIM卡，注意卡的缺口朝外。將串口選擇開關撥到 MCU模式，并用 USB線將開發板與電腦連接。連接好原理圖后，將編譯好的程序加載進去。系統整體架構參見圖8。

圖8 系統整體架構Fig.8 Overall architecture of the system

本程序采用C語言進行編寫，在LiteOS Studio環境下對程序進行編譯、調試。LiteOS Studio是華為基于 LiteOS嵌入式系統軟件開發的工具，支持 C，C++、匯編等多種開發語言，提供代碼編輯、編譯、燒錄及調試等一站式開發體驗。

通過開發中心在IoT平臺創建項目空間，供終端設備接入。開發者需要基于智慧農業大棚的要求創造一個獨立的項目。開發中心中預置了快速集成模板，該模板包含產品模型（Profile）和編解碼插件，可以使用智慧農業模板直接進行開發。

進行Web界面的開發，基于華為IoT Booster平臺構建應用系統。選擇“農業管理”界面，設置頁面組件布局。拖動1個“選擇組件”，6個“監控組件”和2個“命令下發”組件至頁面中并按照如圖9所示的布局進行擺放。

圖9 Web界面布局Fig.9 Web interface layout

填寫NB-IoT模組的IMEM號,對該設備進行注冊，從而使上位機和開發板通過NB-IoT模組連接。

開發板上電，可以在農業管理界面觀察到空氣溫度和土壤濕度以及光照強度的變化。在補光燈界面點擊設置參數，點擊“on/off”，能夠實現手動控制紫外線燈的光滅。同理，也可以通過設置參數來控制電機的運轉和停止來模擬農業大棚內的風扇。

5 結語

本文基于NB-IoT的多功能智慧農業大棚實時監測與控制系統，通過各種傳感器模塊采集到農業大棚內的溫濕度和光照強度等數據,采用了華為海思的通信模組NB-IoT進行無線通信,將采集到的數據上傳到華為云平臺上,實現了數據的實時監測,通過華為IoT Booster平臺，Web開發展示了實時在線大棚內溫度、濕度、光照強度等數據信息。可實現對環境信息的遠程采集和實時檢測，滿足實時監測的要求。它不僅可以實時采集農業大棚的溫度、濕度和照度，同時減少了前期傳感器傳輸數據的投入成本。能夠進行遠程監測和控制農業大棚的環境，大大提高了農作物的生長水平，提高了農業的維護性和持久性。