基于NB-IoT的茶園生態環境監測系統設計

李兆雄，劉 暉，詹 杰，楊有泉

（福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013）

茶樹生長對大氣溫濕度及土壤的溫濕度有較高的要求，研究表明[1]：在適宜的溫度條件下，土壤含水量在最大持水量的80%～90%時，茶樹生長速度快、葉芽量大、持嫩性強、茶葉品質優;而＞93%，茶樹會出現爛根現象，＜40%時，茶樹會出現枝葉受損、生長緩慢，葉芽凋枯、枝葉焦黃的現象，甚至死亡。福建茶區多位于海拔500～1500 m 丘陵地區，茶園土壤溫濕度保持主要依靠自然資源，土壤溫濕度隨自然因素變化波動較大，一旦發生環境因素重大變化，將對茶樹生長造成危害，因此建立茶園大氣溫濕度、土壤溫濕度自動監測系統，及時地獲取大氣、土壤環境信息，獲取持續監測的結果，形成茶園生態環境因子數據庫，對研究茶樹生長規律、指導茶園管理，保證茶樹健康生長、提高茶葉品質等均具有重要作用。

由于茶園多處于偏僻山區，沒有市電接入，茶園環境指標的測定，傳統方法往往是使用便攜式的檢測設備，定期定點測量，獲取的數據是零散的，用戶如果需要采集多種環境因子，需要逐個購買設備，給用戶的實際使用也帶來麻煩，如果想把各類數據匯總，也存在以下弊端：一是各廠家的設備接口不統一，數據匯總困難；二是有的設備沒有聯網功能，只能通過人工記錄的方法進行數據記錄，帶來很大工作量。

針對難以實時監測的情況，本文介紹了一種基于NB-IoT的茶園生態環境監測系統，本系統利用NB-IoT 技術，設計一種廣覆蓋、低功耗、少維護的茶園生態環境數據實時采集設備，及時、持續地獲取數據，并將數據上傳至云端，建立茶園的生態環境大數據。

1 系統方案設計

本系統包括：環境數據監測裝置、茶園生態環境監測設備管理系統、用戶PC、用戶微信。

基于NB-IoT的茶園生態環境監測系統網絡拓撲見圖1。

圖1 基于NB-IoT的茶園生態環境監測系統網絡拓撲圖Fig.1 Network topology of tea garden ecological environment monitoring system based on NB-IoT

“環境數據監測裝置”包括：帶有開關控制的多接口數據傳輸單元、NB-IoT網絡模組、傳感器、太陽能供電單元。環境數據監測裝置實物圖與結構見圖2。

圖2 環境數據監測裝置實物圖與結構圖Fig.2 Physical diagram and structure diagram of environmental data monitoring device

帶有開關控制的多接口數據傳輸單元主要由STM32 微處理器、NB-IoT通訊模組、控制電路組成，控制電路根據嵌入的程序設定的時間定時開啟傳感器的電源，提取各項環境數據，所提取的數據通過NB-IoT 模組傳送到茶園生態環境監測設備管理系統，并將所獲取的數據存儲在云端服務器的數據庫中。在數據采集完畢后，斷開傳感器的供電，同時關閉NB-IoT網絡模組，進入休眠狀態，達到降低能耗的目的。

環境監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，用來監測茶園大氣及土層中的農業生產環境數據，傳感器與控制電路之間的通訊采用Modbus協議，方便用戶擴展新的傳感器。

同時，用戶可以使用PC 通過互聯網接入茶園生態環境監測設備管理系統，對數據監測裝置進行添加、刪除和配置，大大降低了使用者的難度。所開發的微信小程序可以讓用戶通過微信實時查看各項傳感器的數據。

2 系統硬件設計

本系統硬件涉及“帶有開關控制的多接口數據傳輸單元”的設計，各種傳感器可以通過標準的Modbus接口接入。

2.1 “帶有開關控制的多接口數據傳輸單元”的主板設計

圖3 “帶有開關控制的多接口數據傳輸單元”主板實物圖Fig.3 Physical diagram of main board of"multi interface data transmission unit with switch control"

2.2 STM32F107VCT6處理器

STM32F107VCT6 處理器是一款32 位ARM 芯片，它具有64KRAM 和256K 的閃存，有較好的兼容性和較高的穩定性。同時該芯片內部集成以太網10/100 MAC 模塊（支持MII 和RMII），連接外部以太網物理層接口芯片就能實現一個完整的以太網收發器，方便通過以太網口對設備進行參數配置和固件升級。該芯片能比較好地滿足茶園生產環境監控設備對數據收集、傳輸與控制的需求。STM32F107VCT6處理器實物見圖4。

圖4 STM32F107VCT6處理器實物Fig.4 Physical object of STM32F107VCT6 processor

2.3 以太網接口

使用以太網物理層芯片DP83848IVVX 與MCU 連接可實現通過本地以太網口對設備進行配置和固件更新。

2.4 NB-IoT通信模組

本系統采用移遠BC95 通信模組，高性能、低功耗的NBIoT 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，非常適合農業生產數據監測的野外工作環境。

2.5 繼電器

繼電器是一種可控制通斷的開關設備，可以用于各種自動控制電路中。本裝置中，通過控制繼電器的通斷來實現外接傳感器單元的供電與斷電，在程序控制的時段里接通各外接傳感器單元，當數據采集完畢時，斷開外接傳感器單元，使數據傳輸單元進行待機狀態，達到節電的目的。

圖5 NB-IoT通信模組實物及電子原理圖Fig.5 physical and electronic schematic diagram of NB-IoT communication module

圖6 繼電器控制電路Fig.6 Relay control circuit

3 系統軟件設計

3.1 數據傳輸單元軟件設計

數據傳輸單元的嵌入式軟件，在設備通電后，完成初始化，載入外設驅動后啟動主程序，通過控制繼電器打開外接傳感器單元和NB-IoT 通訊模組的電源，通過Modbus 接口得到傳感器的數據，并將數據通過NB-IoT 網絡傳送到遠程數據服務器，當數據傳輸完成后，關閉傳感器和通訊模組的電源，設備進入休眠。

圖7 數據傳輸單元程序流程圖Fig.7 Program flow chart of data transmission unit

3.2 茶園生態環境監測設備管理系統軟件設計

茶園生態環境監測設備管理系統軟件功能見圖8。該系統包含Web服務器和微信小程序2部分。

圖8 系統WEB端及微信小程序功能Fig.8 Functions of system web and wechat applet

Web服務器是針對管理員開發的，管理員可以通過pc接入系統，首先，可以新建或管理監測項目，每個項目對應一個茶園。其次，再對監測裝置進行配置，將監測裝置指定到相應的監測項目中，每個項目可以安裝多臺監測裝置。完成上述配置后，就能實時查看每臺監測裝置上傳的各種監測數據，也能下載歷史數據。

Web服務器的登錄界面見圖9，項目列表界面見圖10，點擊每個建立好的項目，可以看到該項目下所有的監測裝置以及上傳到服務器端最新的數據。監測數據展示界面，見圖11，可以查看各種監測數據的歷史數據變化曲線圖。

圖9 Web服務器登錄頁面Fig.9 Web server login page

圖10 項目列表界面Fig.10 Item list interface

圖11 監測數據展示界面Fig.11 Display interface of monitoring data

如果要對歷史數據進一步分析，可以通過下載查看分析據，歷史數據導出界面，見圖12。

圖12 歷史數據導出界面Fig.12 Historical data export interface

微信小程序界面見圖13。用戶通過微信綁定管理員賬號后，農戶使用手機可實時查看各項監測數據及各項數據的變化曲線。

圖13 微信小程序用戶主界面與監測數據查看界面Fig.13 Wechat applet user main interface and monitoring data viewing interface

4 結語

本文所制作的基于NB-IoT 的茶園生態環境監測系統，可實時監測茶園大氣、土壤中多項生態環境數據，并將所測數據上傳到云端的茶園生態環境監測設備管理系統，持續監測可獲得茶園生態環境大數據，對這些大數據的分析可以為生產決策提供依據。同時農戶通過微信與系統管理員賬號綁定，可以在手機上實時查看所監測的數據，當發現數據異常時，可以及時采取措施對生產進行干預，為生態茶園管理提供有效幫助。