一種基于BLE和NB-IoT的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鄭琪 韓娟 尚冬梅

摘要：本文研制了一種利用NB-IoT遠(yuǎn)程無線模組BC95-B8和BLE藍(lán)牙短程無線功能，采用美國(guó)德州儀器TI公司藍(lán)牙短程無線芯片CC2541（BLE4.0）和CC2640R2L（BLE5.1），用于農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)作物主要生長(zhǎng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，使農(nóng)作物在適宜的環(huán)境下生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，提高勞動(dòng)效率、節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)。采用嵌入式控制系統(tǒng)，配有高性價(jià)比的環(huán)境溫濕度、二氧化碳、氧氣、光照度的傳感器，以及土壤溫濕度、pH值等傳感器。可實(shí)現(xiàn)實(shí)地、遠(yuǎn)程、任何地方實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在遠(yuǎn)程終端或手機(jī)以及便攜式設(shè)備隨時(shí)隨地進(jìn)行各種參數(shù)的查看、獲取超出設(shè)置范圍的報(bào)警信息，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施，使農(nóng)作物在合適的條件下生長(zhǎng)，節(jié)省人力物力，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。提出了可增加AI功能減少人工監(jiān)測(cè)的資源浪費(fèi)，達(dá)到綠色化生產(chǎn)和管理。

關(guān)鍵詞：NB-IoT; BLE; 物聯(lián)網(wǎng); Bluetooth; 無線遠(yuǎn)傳;AI人工智能

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）28-0141-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

An Internet of things Agricultural Greenhouse Monitoring System Based on BLE and NB-IoT

ZHENG Qi，HAN Juan，SHANG Dong-Mei

（Xian University of Science and Technology， Engineering Training Center， Xian 710000，China）

Abstract： In this paper， a kind of long-distance Wireless NB-IoT and BLE4.0 Bluetooth short-distance wireless function is developed， which can be used to monitor the main growth parameters of crops in the agricultural greenhouse， so that the crops can grow in the suitable environment， and the yield and quality can be improved， raise Labor efficiency， save cost， realize green agriculture. The embedded control system， with a high cost-effective environmental temperature and humidity， carbon dioxide， oxygen， illumination sensors， as well as soil temperature and humidity， PH sensors. It can realize real-time monitoring in real-time， remote and anywhere， check various parameters at any time and any place in remote terminal or mobile phone and portable device， obtain alarm information beyond setting range and make timely response measures so that crops in the appropriate conditions to grow， save manpower and material resources to achieve precision agriculture. It is proposed that AI can be added to reduce the waste of resources by manual monitoring， to achieve green production and management.

Key words： NB-IoT; BLE; internet of things; bluetooth; long-distance wireless communication;AI

農(nóng)業(yè)大棚主要信息包括：環(huán)境溫濕度、二氧化碳、氧氣、光照度、土壤溫濕度、pH值等。這些信息既描述環(huán)境條件，又反映作物生長(zhǎng)狀況，是進(jìn)行各項(xiàng)農(nóng)藝操作的參考依據(jù)。采集準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)信息，是進(jìn)行科學(xué)研究和各項(xiàng)農(nóng)藝操作、農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。

傳統(tǒng)的信息監(jiān)測(cè)是以人工為主，不僅工作量大、精確度也不高，容易對(duì)科學(xué)研究質(zhì)量和農(nóng)藝操作效果造成影響。在現(xiàn)在大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)的背景下，不同新型技術(shù)被研發(fā)出來，用于農(nóng)田信息采集。不同的技術(shù)適應(yīng)于不同的生態(tài)區(qū)域和信息內(nèi)容。無論用哪種技術(shù)，必須將設(shè)備整合成一個(gè)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚信息的高效準(zhǔn)確采集。

本文所述系統(tǒng)是采用檢測(cè)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)傳感器與低功耗藍(lán)牙芯片連接，通過藍(lán)牙與大棚核心主芯片通信，存儲(chǔ)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)、進(jìn)行處理，通過NB-IOT上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)器，可通過電腦瀏覽器、或經(jīng)過蜂窩移動(dòng)網(wǎng)用手機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集設(shè)備、云平臺(tái)、大棚管理系統(tǒng)組成。其中采集設(shè)備通過傳感器采集大棚內(nèi)的空氣溫濕度、植物附近的光照度、氧氣和二氧化碳的濃度，以及農(nóng)作物土壤溫濕度和pH值;利用通信模塊將信息傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)負(fù)責(zé)設(shè)備接入和數(shù)據(jù)處理功能，大棚管理系統(tǒng)主要顯示相關(guān)實(shí)時(shí)和歷史信息及數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)。

2采集及監(jiān)控設(shè)備選取及設(shè)計(jì)

采集設(shè)備主要是采集數(shù)據(jù)、傳輸及調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。采集設(shè)備由主控制器、傳感器、NB-IOT通信模塊、電機(jī)、電源、控制設(shè)備等組成。主控制器選用美國(guó)德州儀器TI公司的CC2541和CC2640R2L。傳感器選用：普瑞森社的土壤溫濕度傳感器、pH值傳感器、空氣中氧氣和植株光照度傳感器，Sensirion的SCD30測(cè)量空氣中的溫濕度和二氧化碳濃度。NB-IOT通訊模組選用電信的BC95-B5，該模組硬件接口豐富，可很好地完成數(shù)據(jù)傳輸;電源模塊可很好地為各個(gè)采集設(shè)備模塊等提供穩(wěn)定電壓。

采集設(shè)備的軟件部分基于C語言開發(fā)。采集設(shè)備上電后，首先對(duì)CC2541、CC2640R2L和各個(gè)傳感器進(jìn)行初始化，完成后，將所采集的信息傳入主控制器CC2541，主控制器CC2541可將采集信息與預(yù)設(shè)信息閾值范圍進(jìn)行比較，超出的話，啟動(dòng)相應(yīng)控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到采集信息值達(dá)到閾值范圍之內(nèi)，比如：卷簾的拉起和垂落、通風(fēng)機(jī)、滴灌設(shè)備的開啟和關(guān)閉等。在一定間隔之后將數(shù)據(jù)傳輸給CC2640R2L，CC2640R2L再經(jīng)NB-IOT通信模組BC95-B8將數(shù)據(jù)通過基站和蜂窩移動(dòng)網(wǎng)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的大棚管理系統(tǒng)中。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)器運(yùn)行大棚管理系統(tǒng)，可通過與服務(wù)器連接的電腦或相關(guān)人員的手機(jī)進(jìn)行采集信息的查看和對(duì)大棚控制設(shè)備進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)相關(guān)采集信息到要求范圍，也可對(duì)大棚內(nèi)信息范圍進(jìn)行設(shè)置和修改，通過網(wǎng)絡(luò)下傳到各個(gè)大棚的主控制器存儲(chǔ)器上。

在一個(gè)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，普瑞森社的多個(gè)點(diǎn)土壤的pH值、植株光照度、溫濕度傳感器可用導(dǎo)線連接在一起，多個(gè)點(diǎn)的氧氣濃度傳感器也可用導(dǎo)線連接在一起，信號(hào)輸出0-5V，再分別經(jīng)過分壓接到CC2541的GPIO口（具有ADC功能）上，1個(gè)點(diǎn)的 Sensirion的SCD30測(cè)量空氣中的溫濕度和二氧化碳濃度直接接到CC2541上的帶有I2C的功能引腳上。一個(gè)棚內(nèi)的所有CC2541通過BLE接到農(nóng)場(chǎng)的CC541或CC2640R2L，農(nóng)場(chǎng)所有的CC2541接到CC2640R2L; CC2640R2L通過UART功能的IO引腳與NB-IOT通訊模組BC95-B8相連。經(jīng)處理的信息經(jīng)NB-IOT通訊模組BC95-B8傳到NB-IOT基站，再上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與電腦鏈接，基站可與手機(jī)相連，故可通過電腦及相關(guān)人員的手機(jī)對(duì)大棚進(jìn)行監(jiān)控。

美國(guó)德州儀器TI公司的CC2541和CC2640R2L供電電壓是3.6V以下，SCD30的電壓是3.3-5.5V，而普瑞森社的傳感器供電電壓是10-30V，所以普瑞森社的傳感器的電源電壓需經(jīng)過降壓后才能供給Sensirion的SCD30、TI公司的CC2541和CC2640R2L。

一個(gè)大棚中所有的土壤pH值、植株光照度、溫濕度傳感器以及空氣氧氣濃度傳感器分別用導(dǎo)線連接，各種傳感器接到CC2541的4個(gè)帶ADC功能的IO口上，14個(gè)位置的SCD30的CO2濃度及空氣溫濕度傳感器通過I2C與CC2541的2、3腳相連，基本上一個(gè)棚中所有傳感器用幾個(gè)CC2541即可滿足需求，各個(gè)大棚的CC2541通過BLE與CC2640R2L連接通信，CC2640R2L通過UART功能的IO引腳與NB-IOT通訊模組BC95-B8相連，BC95-B8與基站通信，基站與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)通信，從而實(shí)現(xiàn)通過電腦或手機(jī)對(duì)大棚進(jìn)行監(jiān)控。

CC2541是美國(guó)德州儀器TI公司帶I2C接口功能的BLE（低功耗藍(lán)牙4.0）芯片，40個(gè)引腳，高達(dá)0dBm的可編程的輸出功率，出色的接收器靈敏度，可選擇性和阻擋功能，適合于符合世界范圍內(nèi)的無線電頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有代碼預(yù)取功能的高性能和低功率8051微控制器內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM在所有功率模式下具有保護(hù)功能，支持硬件調(diào)試，擴(kuò)展基帶自動(dòng)化，包括自動(dòng)確認(rèn)和地址解碼;CC2640R2L是TI公司的最近推出的2.4 GHz無線微控制器（MCU），支持低功耗Bluetooth 5.1（新增強(qiáng)大室內(nèi)定位能力）和專用2.4 GHz應(yīng)用，包括Wi-Fi?、Bluetooth Low Energy、Thread、ZigBee?、Sub-1 GHz MCU和主機(jī)MCU，使用單核軟件開發(fā)工具包（SDK）和豐富的工具集，使用一個(gè)通用、易于使用的開發(fā)環(huán)境;能收發(fā)范圍更大的射頻信號(hào)。內(nèi)核方面，主CPU是ARM? Cortex?-M0內(nèi)核， CC2640R2L是48 MHz ARM? Cortex?-M3內(nèi)核，CC2640R2L都擁有275KB 非易失性存儲(chǔ)器，包括128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，高達(dá) 28KB系統(tǒng)SRAM，其中20KB為SRAM。CC2640R2L減少的器件使其價(jià)格低， 支持“空中傳送”升級(jí)（OTA），更加滿足基礎(chǔ)透?jìng)鞴δ艿膽?yīng)用場(chǎng)景。集成溫度傳感器， 正常工作電源電壓范圍1.8至3.8 V，射頻部分：2.4 GHz射頻收發(fā)器，兼容藍(lán)牙低功耗5.1和早期的LE規(guī)范，出色的接收機(jī)靈敏度（BLE為-97 dBm）、選擇性和阻塞性能， 可編程輸出功率高達(dá)+5 dBm，單端或差分射頻接口。

普瑞森社的土壤pH值和溫濕度、植株光照度、空氣中氧氣濃度傳感器均是電源電壓為10-30V，輸出4根線（可選3根線，其中綠色信號(hào)負(fù)可不接），包括電源線2根：棕色為正級(jí)，黑色為負(fù)極，輸出線2根：藍(lán)色為信號(hào)正，綠色為信號(hào)負(fù);傳感器選用輸出為0-5V的型號(hào)。同類傳感器可用線連接在一起，輸出經(jīng)電阻分壓后再接到CC2541的帶ADC功能的GPIO口上;普瑞森社的土壤pH值傳感器默認(rèn)直流電源電壓為5-30V，最大輸出功率為0.4W（12V DC供電）， 傳感器內(nèi)輸入電源，感應(yīng)探頭，信號(hào)輸出三部分完全隔離。探頭采用PH電極，信號(hào)穩(wěn)定，精度高。具有測(cè)量范圍寬、線形度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。量程為3-9PH，分辨率0.1，精度±0.3PH，工作溫度-20℃～60℃，長(zhǎng)期穩(wěn)定性≤5%/year，響應(yīng)時(shí)間≤10S，探針為防腐特制電極，用黑色阻燃環(huán)氧樹脂密封，外形尺寸45*15*123mm，負(fù)載能力輸出電阻≤250Ω，換算公式為3+（VO/5）*6K，其中VO是輸出電壓，K是電阻分壓比;土壤溫濕度傳感器不同的是最大功耗0.3W（12V DC供電），工作溫度-40℃～+60℃，土壤溫度參數(shù)量程-40～80℃、精度±0.5℃，土壤水分參數(shù)量程0-100%、精度0-50%內(nèi)2%、50-100%內(nèi)3%，探針為防腐特制電極，藍(lán)色線為溫度信號(hào)輸出，黃色線為水分信號(hào)輸出;計(jì)算公式為 P 溫度=V（電壓）*24*K-40（℃），P 濕度=V（電壓）*K*20（%）。在溫度20℃、相對(duì)濕度50%RH、1個(gè)大氣壓，待測(cè)氣體濃度最大不超過傳感器量程的環(huán)境下測(cè)得：空氣中氧氣濃度傳感器功耗0.25W， 工作溫度-20～50℃， 工作濕度5～95%RH 無冷凝， 壓力范圍90～110Kpa， 穩(wěn)定性≤5%信號(hào)值/年， 響應(yīng)時(shí)間≤10S， 預(yù)熱時(shí)間≥5分鐘， 零點(diǎn)漂移（-20～40℃）±0.3%Vol， 使用壽命≥24個(gè)月， 量程0～25%Vol， 精度±3%FS， 分辨率0.1%VOL， 轉(zhuǎn)換公式是基于25℃和1個(gè)大氣壓：X ppm = （Y mg/m3）（24.45）/（分子量）或Y mg/m3 = （X ppm）（分子量）/24.45，僅適用于計(jì)算氧氣（O2）：

1%Vol=10000ppm、1ppm=1.31mg/m3;Sensirion的SCD30傳感器是帶溫濕度檢測(cè)的二氧化碳濃度傳感器，直流供電電壓為3.3-5.5V，二氧化碳檢測(cè)范圍是0-40000ppm，精確度400 ppm – 10000 ppm內(nèi)為± （30 ppm + 3%MV），重復(fù)性同樣范圍為± 10 ppm，在T = 0 … 50°C范圍中溫度穩(wěn)定值為± 2.5 ppm / °C，響應(yīng)時(shí)間為20 s，使用壽命內(nèi)精確度漂移± 50 ppm，空氣濕度參數(shù)范圍0 %RH – 100 %RH，在0 %RH – 100 %RH下準(zhǔn)確度± 3 %RH，重復(fù)時(shí)間8 s，精確度漂移< 0.25 %RH / year，空氣溫度參數(shù)范圍- 40°C – 70°C，在0 – 50°C下，精確度為± （0.4°C + 0.023 × （T [°C] – 25°C）），重復(fù)性誤差為± 0.1°C，重復(fù)時(shí)間> 10 s，精確度漂移< 0.03 °C / year，以上所有參數(shù)都是在T = 25°C， 適度 = 50 %RH， p = 1013 mbar， VDD = 3.3 V， 連續(xù)測(cè)量模式每次測(cè)量速率為 2 s時(shí)的。它的接口可以是UART、I2C、PWM。使用壽命為17年。

無線通信NB-IOT模塊BC95-B8，特點(diǎn)：尺寸小、重量輕、超低功耗、超高靈敏度，它的頻段為900MHz，輸出功率23dBm±2dB，靈敏度-129dBm±1dB，功耗在省電模式為5uA、空閑模式為6mA，接口模式有USIM、ADC、天線各1個(gè)，2個(gè)UART，支持的協(xié)議棧有Ipv4、UDP、COAP，下載方式UART，短信為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、文本和PDU模式，94個(gè)管腳，供電電壓為3.1-4.2V，典型值3.6V，溫度范圍為-40～85℃，外形尺寸19.9mm*23.6mm*2.2mm，重量1.8g±0.2g。

3物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為采集設(shè)備的接入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了采集設(shè)備的接入、數(shù)據(jù)的解析和推送等功能。首先在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行接入設(shè)備的注冊(cè)，然后對(duì)設(shè)備提供的服務(wù)進(jìn)行定義，完成設(shè)備在平臺(tái)的功能配置，然后對(duì)編解碼插件的開發(fā)，最后對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試入網(wǎng)，確保設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

4終端主控制器可增加AI功能

植物良好生長(zhǎng)狀態(tài)的各個(gè)階段數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在終端主控制器CC2541和CC2640R2L上，也可以存放在云平臺(tái)的服務(wù)器上。終端主控制器CC2541和CC2640R2L可通過采集數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣計(jì)算或跟服務(wù)器通信與植物良好生長(zhǎng)狀態(tài)比較，運(yùn)用AI功能進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，一般情況下不需要人為干預(yù)，只是在嚴(yán)重極端情況下，通過電腦或手機(jī)給相關(guān)人員以聲光報(bào)警形式進(jìn)行警示，這樣大大減少了人員、時(shí)間等資源的浪費(fèi)。

5 結(jié)語

本文所述的基于BLE和NB-IOT的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用了藍(lán)牙低功耗和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)支持?jǐn)U展、功能全面、使用靈活，可組成自組織、低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò);在戶外使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將藍(lán)牙低功耗技術(shù)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，形成了業(yè)界相對(duì)新穎、優(yōu)點(diǎn)突出的低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的一種方式。盡可能給大家起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王穎聰.基于STM32的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與信息化，2020（8）：6-8.

[2] 邱首星，朱呈祥，張鵬，等.基于NB-IoT通信的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2020（9）：11-15.

[3] 蔡航宇，王天凱，江朝暉.基于NB-IoT的農(nóng)林監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（7）：6-9.

【通聯(lián)編輯：唐一東】