基于NB-IoT技術的智慧牧場環境監測系統設計與實現

赫宜 付衛國

關鍵詞：窄帶物聯網；環境監測；NB-IoT；傳感器；實時監測；遠程控制

0 引言

隨著5G技術、大數據的廣泛應用，畜牧業的“智慧化”將是其今后發展的主要目標。在5G技術引領下，基于NB-IoT環境監控系統有著廣泛的物聯網應用，具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構優等優勢，能夠實現遠距離通信，可以為牧場的圈舍、飼料棚、擠奶廳等，牲畜活動場地提供溫度、濕度、氨氣濃度、光照強度等環境相關數據的實時監測，在NB-IoT 通訊技術支持下，設備終端與云平臺可互聯、互傳，將環境監測數據上傳至云平臺，經過系統分析處理后，由中心控制系統下發命令來控制圈舍等活動場地的應用設施，便于對環境的監控與管理[1]。

1.總體架構設計

環境監控系統的總體架構包括數據信息采集、數據處理、平臺端、應用端等4個部分。該系統總體架構如圖1所示。其中數據信息采集單元通過環境溫度、濕度、氨氣濃度、二氧化碳等傳感器模塊，采集環境中實時的數據；數據處理單元以STM32嵌入式芯片為主處理器，依托NB-loT技術對數據采集以及平臺端之間在基站的基礎上進行數據通信；平臺端通過云平臺實現實時檢測、接收環境數據，實時進行數據遠程監控，同時完成環境數據的監控、統計等操作，具有消息推送、短信報警等功能，檢測設備運行狀態，管理云平臺具備設備綁定、環境數據監控、統計、預警等功能，便于對數據的處理與管理[2]。應用端可以采用網頁端、手機端應用平臺、手機App等進行環境數據的實時監測和監控應用。

2 硬件系統設計

硬件系統整體架構如圖2，硬件設計是根據數據采集單元，數據處理單元采用一款基于ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的微控制器，數據采集模塊主要用于監測環境的溫濕度、二氧化碳、氨氣、光照等，NB-loT模組作為數據傳輸部分。NB-loT模組與數據處理單元連接，其功能是環境數據采集、處理，同時完成平臺與控制器間的數據通信、預警、控制等相關指令的交互。NB-IoT 是 IoT 領域一種新的技術[3]，NB-loT技術所構建的系統模型應用較簡單，只要有移動運營商的網絡即可，設備節點通過NB-IoT模組連接其運營商的基站，與服務器建立TCP連接，然后將相關數據上傳至云平臺。

2.1 STM32最小系統

由于STM32 系列32 位單片機，內核是Cortex-M3，具備了低成本、功能強大、低功耗等高性能的特性，系統選取此單片機，此單片機主處理器型號是STM32F103RCT6，存儲容量為128 KB，工作時溫度在-40～85℃，電源電壓為2～3.6V。最小系統有主控芯片、晶振電路、程序下載口等。由于集成了多種外設接口，可以采集多種傳感器數據，并通過選用的NB模組將傳感器數據發送到相應的云平臺。最小系統STM32的控制器作為整個系統的控制中樞，可以實現對所有模塊的調用和控制，實現所有傳感器數據采集和傳輸的功能。

2.2 NB-loT 模塊

NB模組采用移遠的SIM7000C，此模組的尺寸小、功耗低，通過電信、移動等運營商的基站就可以實施遠距離傳輸，無須搭建中繼網關，基站與節點直接交互數據，降低外界因素的干擾。主控制器STM32與通訊模塊SIM7000C通過串口通信，SIM7000C的功能很強大，只需要STM32通過串口發送幾個簡單的AT指令，就可以實現各種應用，其模塊電路如圖3所示。

數據處理單元的通信串口UART1_RX，UART1_TX 通過電平轉換電路與SIM7000C 的通信串口NB_TXD ，NB_RXD進行數據交互，實現對其通訊模組指令、數據的上傳和下發。其中物聯網卡與通訊模組的30、31引腳連接，天線外置需要與60引腳RFANT相連，數據上傳與命令接收主要借助天線部分完成。NB-loT通訊模塊需移動運營商的NB物聯網卡方能正常使用，每張物聯網卡都有自己唯一的身份IMSI 號，運營商通訊網絡可有效識別各個節點的IMSI號。

2.3 數據采集單元

溫濕度、二氧化碳、氨氣濃度、光照強度等變送器模塊的通訊方式比較多樣化，有UART、485、RS232、LoRa等，使用一個MCU能夠兼容采集各種環境數據，依托RS485通信方式，可以把采集的環境實時數據傳給數據處理單元、然后通過NB-IoT模組發送給云平臺。采集接口電路如圖4所示，實物圖如圖5所示，傳感器性能參數如表1所示。

3 軟件系統設計

3.1 軟件整體化設計

智慧牧場環境監控系統軟件的設計主要分為NB-loT通訊模組數據傳輸程序、數據采集單元程序。整體程序設計運用Keil MDK-ARM軟件編譯、調試。用標準C作為設計開發語言類型，采用JLink的SWD 方式給芯片燒錄HEX文件。在設備上電初始化運行階段，各個硬件單元會進入工作狀態，各硬件單元采用串口中斷服務。軟件主要有系統鑒權登錄、傳感器實時數據采集、模式設置。傳感器實時數據采集：溫濕度、二氧化碳、氨氣濃度、光照強度等實時狀態。模式設置：人工模式可手動控制，智能模式根據設定閾值智能決策。傳感器的數據通過NB模塊傳到相應的管理云平臺。當出現數據觸發報警標準的情況，應用端會接收到相關信號。

3.2 數據采集單元軟件設計

變送器完成溫濕度、二氧化碳、氨氣濃度及光照強度等信息數據采集后，向數據節點發送數據，根據編寫的控制指令對變送器、燈光狀態、風扇轉速等進行控制。實施的主要流程如下：首先是初始化相關設備或端口，如對NB-loT模組、串口及定時器等的初始化設置，區分數據的類型，讀取串口數據，針對不同傳感器類型，使用單總線協議、I/O口設置等相關程序。在程序編寫時，重點注意匹配時間，如傳感器響應的時間與數據總線 SDA 拉低的時間要符合。針對查詢請求的需求，打包傳感數據給變送器節點，然后無線發送給NB-loT模塊，對于控制指令，需要設置相關端口控制后端繼電器，然后定時讀取環境數據。

3.3 NB-loT 通訊模塊軟件設計

NB-loT通訊模塊主要用于對變送器節點發送環境數據的接收[4]，然后將接收的數據上傳到云平臺。通過串口發送的有：設備的注冊上線、數據的上傳、指令的下發和設備的注銷發送 AT 指令控制。為了進一步減輕 CPU 的負擔，提升系統運行的速度，采用了直接存儲器訪問DMA串口中斷方式，而且數據采集端變送器節點，數據處理端STM32主控制器、NB-loT模組以及平臺端3個部分之間可以實現數據與指令的正向與反向傳達，實現了環境數據的可預警性，有效快捷地做出應對措施。

3.4 構建管理云平臺

研究構建管理云平臺，優勢在于能夠對多種網絡、協議給予支持，各類地貌場景覆蓋，在環境監測應用中可以起到數據分發、節點管理等諸多作用。用戶可以通過注冊方式取得賬號，登錄進入應用界面，與管理云平臺建立通道[5]。關注管理的微信公眾號，也可以實現微信報警消息發送功能，綁定終端觸發器，達到預警報警功能。

4 系統測試與結果分析

本系統在銀川某合作試驗牛場進行測試試驗，在該牧場內隨機挑選一牛舍，牛舍內部安裝一套環境監測系統，目前實驗數據采集40余萬條。各終端供電開機，采集環境數據，應用系統中的NB-IoT通信模塊進行環境數據上傳至環境數據監測云平臺。在應用端App監測溫度、光照傳感器模塊變化情況，并實施跟蹤測試。試驗開始前，在應用端參數設置界面，將（風扇）觸發器的溫度參數上限設置為24℃、下限為18℃，如圖6所示；將（燈光）觸發器的光照強度參數上限設置為100 Lux、下限為50 Lux，如圖7所示。上述作為預警標準，當牛舍的溫度、光照強度處于預警標準內，電腦云平臺WEB、手機App等應用端發出告警信息，并將信息下發給觸發器，觸發器會根據預定標準執行風扇和燈光的啟動或關閉。試驗過程中，測試人員在牛舍內，使用應用端監測到當前溫度為22.8℃，光照強度為46 Lux，如圖8所示，此時手機應用端也通過NBIoT通信模塊上傳收到相關的環境信息，測試人員在牛舍內觀察到通道方向的8路風扇陸續開啟，牛舍內總共6路燈光全部開啟。如此可見，系統在測試現場能穩定運行，用戶能夠實時監測環境的實時數據狀態，并根據數據智能控制相關觸發器，管理相關應用設施。

5 結束語

綜上系統設計，結合窄帶物聯網（NB-IoT）技術、傳感器技術、計算機技術等有效地對環境質量進行綜合評價。為相關場景管理人員提供實時信息，可輔助決策。基于NB-IoT技術的環境監測系統，可以應用在智慧城市、農業物聯網等環境監測的場景，解決布線復雜、傳輸能力差、人工監測耗時費力等問題，提高智能化、精細化水平和兼容性，有效地對各種環境監測數據進行質量綜合分析和評價、監控和預警。隨著物聯網多樣化應用、智能化發展，數據量不斷增大，再輔以大數據的分析處理，有著廣闊的前景和應用價值。