基于NB-IoT的茶園生境監測DTU設計

李兆雄，張朝陽，劉 暉，羅旭輝

（福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013）

0 引 言

在茶園生態環境數據監測裝置中，DTU的主要功能是定時將各外接傳感器獲得的監測數據，通過通信模塊上傳到位于云端的服務器，并在發送數據完畢后關閉外接傳感器、通信模塊，從而達到節能的目的。本設計的DTU由帶有開關控制的多接口數據傳輸單元和NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）網絡模組組成，是裝置的核心，可實現數據采集與傳輸。DTU的性能影響著整個裝置的可靠性和可用性。

1 LPWAN與NB-IoT

經過二十多年的發展，物聯網技術快速發展，RFID、UWB、Bluetooth、ZigBee、WiFi、2G/3G/4G等技術被廣泛應用。以傳輸距離進行劃分，RFID、UWB、Bluetooth為近距離傳輸技術，ZigBee和WiFi為中等距離傳輸技術。而對于遠距離廣域覆蓋物聯網技術，目前主要是蜂窩物聯技術，使用移動通信運營商提供的2G/3G/4G實現對因特網的訪問。蜂窩物聯網技術通常是其他物聯網技術接入互聯網的入口。值得注意的是，2G/3G/4G本身不是針對物聯網應用來設計的，其設計初衷是應用于人與人的通信，并非物與物的聯接，其缺陷是功耗較大。

因此，LPWAN（Low Power Wide Area Network,LPWAN）應運而生。LPWAN是低功耗廣覆蓋技術的簡稱，具有通信距離遠、功耗低、網絡部署成本低等特點，適合用于大規模、非實時、低數據量的通信場景。

低功耗廣域接入技術根據實現方式和使用頻段的不同可以分為兩大陣營，一個是以NB-IoT、eMTC技術標準為代表的蜂窩物聯網技術陣營，使用授權頻段；另一個則是以LoRa、Sigfox、Ingenu等窄帶技術為代表的非授權頻段技術陣營。其中，NB-IoT和LoRa最具代表性，表1為NB-IoT和LoRa的技術參數對比。

表1 NB-IoT和LoRa的技術對比

從表1可以看出，NB-IoT工作在授權頻段，相對來說干擾少，安全性高，相同環境下，NB-IoT覆蓋距離更遠，且NB-IoT使用運營商的蜂窩網絡，數據可直接傳輸，無需網關設備。綜合對比，NB-IoT更適合山區茶園這類使用場景。

2 總體設計

本設計的DTU（數據傳輸單元）主要由STM32微處理器、NB-IoT通信模組、控制電路組成，控制電路根據嵌入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模組傳送到位于云端的服務器，并將獲取的數據存儲在服務器數據庫中。數據采集完畢后，斷開為傳感器供電的電源，同時使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，傳感器接口通信采用Modbus協議。DTU設計有本地網絡接口，可通過RJ 45接口配置DTU。

茶園環境數據監測裝置實物與結構如圖1所示。

圖1 茶園環境數據監測裝置實物與結構

3 硬件設計

3.1 主板設計

針對帶有NB-IoT模組的DTU，進行PCB設計時需注意電源部分的走線應盡量遠離射頻部分，主電源走線的寬度要保證1 A的電流能夠安全通過，電源部分的地平面盡量完整，多打地孔。由于信號不好時，NB-IoT模塊可能存在瞬間大電流的情況，引起開關噪聲，影響其他電路，為避免出現這種噪聲，在模塊電源和其他電路的電源處做隔離處理，采用LC濾波電路，使用470 μH、額定電流大于1.2 A的繞線電感。DTU主板PCB設計如圖2所示，DTU主板實物如圖3所示。

圖2 DTU主板PCB設計

圖3 DTU主板實物

3.2 STM32F107VCT6處理器

STM32F107VCT6處理器是一款32位ARM芯片，它具有64 KB RAM和256 KB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DP83848IVVX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。因此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處理器實物如圖4所示，STM32F107VCT6處理器引腳功能如圖5所示。

圖4 STM32F107VCT6處理器實物

圖5 STM32F107VCT6處理器引腳功能

3.3 繼電器

本設計中，控制電腦通過繼電器開關來控制外接傳感器的供電，在嵌入的軟件中可以設置接通外接傳感器的時間段。在接通時段內接通傳感器，并采集傳感器傳回的數據，數據上傳完畢后，關閉外接傳感器，使DTU進入待機狀態。繼電器控制電路如圖6所示。

圖6 繼電器控制電路

3.4 NB-IoT通信模組

本設計采用移遠BC95通信模組，這是一款高性能、低功耗的NB-IoT 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。NB-IoT通信模組實物及原理如圖7所示。

圖7 NB-IoT通信模組實物及原理

3.5 電源

本設計的DTU工作在野外，山區溫差、潮濕等會對硬件電路造成信號干擾，為此DTU主板的電源芯片采用LM2596和AMS1117。AMS1117的工作方式屬于完全負反饋方式，在電源抑制方面比開關電源性能更強，尤其在小信號處理電路方面取得了不錯的效果，其快速瞬態響應和噪聲抑制優勢突出，片內集成過熱保護和過流保護模塊，保證芯片和系統可靠運行。電源模塊電路如圖8所示。

圖8 電源模塊電路

3.6 485通信接口

I/O輸入接口采用高精度光耦芯片隔離，減少干擾，提高系統穩定性。485通信接口使用MAX1348系列芯片。RS 485通信接口電路如圖9所示。

圖9 RS 485通信接口電路

3.7 本地網絡接口

本地網絡接口可快速實現本地配置及管理功能。本地以太網接口電路如圖10所示。

圖10 本地以太網接口電路

4 軟件設計

數據傳輸單元的嵌入式軟件在設備加電后，完成初始化，載入外設驅動后啟動主程序，通過控制繼電器啟動外接傳感器和NB-IoT通信模組，通過Modbus接口得到傳感器數據，并將數據通過NB-IoT網絡傳送到遠程數據服務器。數據傳輸完成后，關閉傳感器和通信模組，設備進入休眠狀態，此時僅時鐘控制部分持續工作，在下一個預設時鐘周期（預設時鐘可以根據需要從1 min到2 h進行調整）到來時，再次加載外設驅動，完成新一輪的數據采集和傳送。DTU嵌入式程序流程如圖11所示。

圖11 DTU嵌入式程序流程

5 DTU數碼管顯示

為方便野外布署時調試設備，DTU設置了5位LED數碼管，通過數碼管的顯示可以直觀了解DTU的工作狀態。

5.1 狀態碼

狀態碼見表2所列。

表2 數碼管顯示的狀態碼

5.2 錯誤碼

錯誤碼見表3所列。

表3 數碼管顯示的錯誤碼

6 實際應用

實際應用中，DTU線路板安裝在金屬機殼中，使用接口連接，確保在野外使用的穩定性。圖12所示為監測裝置的外觀和DTU（數據傳輸單元）在機箱中的安裝圖示。

圖12 監測裝置外觀和DTU在機箱的安裝圖示

目前，該系統已在福建武夷山巖茶產區、寧德白茶產區安裝使用，可穩定持續地監測茶園的生態環境數據。

7 結 語

隨著物聯網技術的發展，三大運營商的NB-IoT網絡更加成熟。經過實地測試，在福建主要茶產區，大多數茶園可以接收到NB-IoT信號，尤其以中國電信的信號覆蓋范圍更廣。在4G、5G信號無法覆蓋的山區，使用NB-IoT技術具有獨特的優勢，能夠在其他監測方式不易使用的福建丘陵山區環境中，實施對茶園生境數據的遠程持續監控。DTU設計簡單，具有低功耗、廣覆蓋、少維護等特點。通過基于NBIoT的DTU設計，降低了監測系統設計的難度，有利于山區茶園生境監測數據的獲取，為福建茶葉的種植管理及相關科學研究提供了準確、詳細、持續的數據資料，對提高茶葉種植的精細化和數字化程度具有重要的推動意義。