基于物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT的土壤生化污染界限監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：為解決傳統(tǒng)土壤界限含水率檢測中存在的問題，比如需人工現(xiàn)場操作、自動檢測環(huán)節(jié)能耗高、數(shù)據(jù)傳輸慢等，本研究設計了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT的土壤界限含水率自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以窄帶物聯(lián)網(wǎng)為核心，以傳感器和采集傳輸控制器為主要元器件，通過接入網(wǎng)絡云平臺、數(shù)據(jù)庫等，實現(xiàn)土壤溫度、濕度以及其他土壤墑情相關數(shù)據(jù)的遠程、高速、自動化監(jiān)測，有效降低了系統(tǒng)工作時對大量數(shù)據(jù)存儲硬件設備的依賴。經(jīng)應用驗證：該系統(tǒng)具有自動化程度高、操作簡單及成本低廉的特點，能夠廣泛應用于各種土壤界限含水率的測定，對農(nóng)業(yè)工程的設計和實施具有一定的參考價值。

關鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)；土壤墑情；生化污染監(jiān)測系統(tǒng)；網(wǎng)絡云平臺

中圖分類號：TP274；O69文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0134-04

Design of soil biochemical pollution limit monitoring system based on internet of things NB-IoT

HU Qidi，XIONG Gang，CHEN Gaofeng，F(xiàn)ENG Chunwei，ZHU Xiangbing，SHA Lina

（School of Lnformation Engineering，Yangling Vocational and Technical College，Xianyang 712100，Shaanxi China）

Abstract：In order to solve the problems existing in the traditional detection of soil boundary moisture content，such as manual on-site operation，high energy consumption in automatic detection and slow data transmission，this study designed an automatic monitoring system of soil boundary moisture content based on NB-IoT.The system takes the narrow-band Internet of Things as the core，and uses sensors and acquisition and transmission controllers as the main components.By accessing the network cloud platform，database，etc.，it realizes remote，high-speed，and auto?mated monitoring of soil temperature，humidity，and other soil moisture-related data，effectively reducing the sys?tem's dependence on a large number of data storage hardware devices.The system has the characteristics of high de?gree of automation，simple operation and low cost.It can be widely used in the determination of various soil bound?ary moisture content，and has certain reference value for the design and implementation of agricultural engineering.Through application verification，the system has the characteristics of high automation，simple operation，and low cost，and can be widely used for the determination of various soil boundary moisture contents，and has certain refer?ence value for the design and implementation of agricultural engineering.

Keywords：NB-IoT；soil moisture；biochemical pollution monitoring system；network cloud platform

土壤自動化監(jiān)測是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中產(chǎn)業(yè)技術革新的重要突破。作為現(xiàn)代化工業(yè)技術體系中的重要組成部分，土壤自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術等對土壤的溫度、濕度等數(shù)據(jù)進行收集并傳輸至云平臺或管理人員服務器中，為管理人員提供充分的數(shù)據(jù)參考。然而，就目前我國生物、化工領域現(xiàn)狀來看，大部分的土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)沒有成熟的技術環(huán)境和充足的資金儲備用以開發(fā)適合自身產(chǎn)業(yè)特征的土壤自動化監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)分析，其原因在于，一般土壤自動化監(jiān)測系統(tǒng)受外部環(huán)境影響大，難以獲得精準的數(shù)據(jù)信息，且投入成本較高[1-3]。因此，本文嘗試構建基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術的土壤界限含水率自動化監(jiān)測系統(tǒng)。這種技術具有系統(tǒng)搭建結構簡單、運營功耗低、信息傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，對于其在治理中的推廣和普及具有更強的實用性。

1系統(tǒng)總體方案設計

1.1系統(tǒng)需求分析

一方面，土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)主要負責測定記錄土壤水分溫度，在線監(jiān)測土壤墑情等。因此，系統(tǒng)的基本功能需求要滿足對土壤水分、溫度、養(yǎng)分等要素的智能化自動監(jiān)測。另一方面，系統(tǒng)的搭建應盡量遵循低成本、簡單化的原則，盡可能解決一般光纖信息傳輸或物聯(lián)網(wǎng)傳輸過程中的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、高能耗問題。

1.2系統(tǒng)設計方案

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，以下簡稱NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)體系中的重要分支技術，同時也是當前物聯(lián)網(wǎng)眾多技術中最熱門、前景最為廣闊的技術之一[4-6]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)之所以與其他物聯(lián)網(wǎng)技術相比具有很大優(yōu)勢，主要得益于該技術的蜂窩網(wǎng)絡基礎，相同的數(shù)據(jù)傳輸條件下該物聯(lián)網(wǎng)技術僅消耗約180kHz的帶寬。因此，NB-IoT可以被廣泛應用于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡中，其技術優(yōu)勢可降低組網(wǎng)能耗，實現(xiàn)成本優(yōu)化。本文設計的NB-IoT技術的生化污染土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

1.2.1感知層

感知層主要為各類型傳感器。果園系統(tǒng)主要對土壤的溫度、適度以及導電率3項指標進行數(shù)據(jù)收集，因此本文構建的系統(tǒng)感知層主要為溫度傳感器、濕度傳感器以及養(yǎng)分傳感器。3種不同類型傳感器均采用總線形式與上級傳輸層進行通信。

1.2.2傳輸層

傳輸層是本文構建的土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)核心層之一，以NB-IoT為核心通信模塊在獲取感知層傳送的土壤數(shù)據(jù)以后，經(jīng)過解析、重新組幀后傳送至上層網(wǎng)絡層。傳輸層采用NB-IoT核心模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率高、系統(tǒng)功耗低[7-9]。

1.2.3網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層基于公共光纖網(wǎng)絡和國內(nèi)某企業(yè)提供的網(wǎng)絡云平臺，將來自傳輸層的數(shù)據(jù)進行保存。此外，本文還設計了數(shù)據(jù)庫和服務器等，可以進行本地數(shù)據(jù)的保存和備份。

1.2.4應用層

應用層主要作用是顯示感知層提供的數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)輸出各項指令等。本文所構建的應用層主要包括WEB端、移動端兩種，顯示效果基本類似，都可以對果園土壤數(shù)據(jù)進行實時或過往監(jiān)控分析。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1系統(tǒng)硬件組成

在本文構建的土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)感知層和傳輸層是重點硬件搭設場景，其硬件搭設水平直接決定了系統(tǒng)的工作原理和工作效率。本文構建的生化污染土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)感知傳輸控制硬件系統(tǒng)的結構框架如圖2所示。

傳感器獲取數(shù)據(jù)經(jīng)過2種電路與STM32 F103主控芯片連接；主控芯片在對數(shù)據(jù)進行解析、重新組幀以后將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT通信模塊后，再對外進行數(shù)據(jù)傳輸[10]；定位模塊則主要負責對傳感器進行定位，獲取定位信息以后可以對其傳輸數(shù)據(jù)所在生化污染地塊等進行分類，從而輔助工作人員開展數(shù)據(jù)管理和生化污染管理。系統(tǒng)工作時，傳感器獲取生化污染土壤各類型數(shù)據(jù)經(jīng)過SIM7020型通信模塊實現(xiàn)與應用端、數(shù)據(jù)庫、云平臺的數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸效率、數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)能耗能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化。

2.2主控電路設計

在土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)中，STM32 F103主控芯片是橋接傳感器與NB-IoT通信模塊的核心環(huán)節(jié)，承擔了數(shù)據(jù)解析、重組及上下傳輸?shù)闹匾饔谩Ｒ虼耍廴就寥雷詣颖O(jiān)測系統(tǒng)主控電路設計主要圍繞STM32 F103主控芯片電路設計進行[11-13]。本文搭建的生化污染土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)STM32 F103主控芯片電路結構如圖3所示。

STM32 F103主控芯片內(nèi)部通過串口USB轉(zhuǎn)TTL點評實現(xiàn)多模塊（傳感器）與芯片的相互通信；通過USART3 TXD實現(xiàn)與NB-IoT通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1數(shù)據(jù)采集傳輸控制器

本文搭建的土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)2大功能，即土壤傳感器數(shù)據(jù)的采集（例如溫度、濕度等數(shù)據(jù)）和NB-IoT遠程通信。系統(tǒng)應用端及云平臺端則采用了較為成熟的軟件框架。其搭建原則主要是為了降低系統(tǒng)的搭建成本和接入成本，能夠在較低的運營難度下實現(xiàn)更大范圍的普及[14]。生化污染土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

系統(tǒng)啟動以后，首先會對原有設備進行初始化配置，指令為：

int register_chrdev（unsignedint major，const char*name，struct file_operations*fops）[15]

NB-IoT入網(wǎng)連接完成以后，系統(tǒng)會設置RTC中斷，選擇RTC時鐘源，再進行分頻，達到計數(shù)暫時中斷的目的。如果RTC中斷成功則進入STM32采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行重新組幀；若中斷不成功，則系統(tǒng)重新進入中斷指令環(huán)節(jié)，中斷指令為：

RCC_RTCCLKConfig（RCC_RTCCLKSource_HS E_Div128）

系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并組幀以后會進入NB無線數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，待數(shù)據(jù)完成傳輸以后系統(tǒng)進入低功耗模式，此時系統(tǒng)對電力能源的消耗將會達到最低值[16-17]。

由于種植產(chǎn)品在種植周期方面通常具有高度統(tǒng)一性。因此，一般的土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)并不需要過于密集的數(shù)據(jù)發(fā)送，通常情況下管理人員可以設置10 min左右的數(shù)據(jù)發(fā)送周期，而數(shù)據(jù)采集頻率可以保持1 min/次。這樣一種數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸模式能夠盡可能降低系統(tǒng)因長期工作帶來的大量能耗，也能夠充分降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸壓力。系統(tǒng)提供的低功耗模式是該土壤監(jiān)控系統(tǒng)與其他土壤監(jiān)測系統(tǒng)最大的區(qū)別之一，也是系統(tǒng)采用NB-IoT遠程通信的基本條件之一[18]。

3.2數(shù)據(jù)庫主要工作流程

本文選擇的數(shù)據(jù)為國內(nèi)某企業(yè)開發(fā)的成熟網(wǎng)絡云數(shù)據(jù)庫。將土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)與該云平臺進行對接以后的工作原理和流程見圖5所示。

該云平臺內(nèi)含MySQL，SQLServer等多種編譯語言，用戶可以根據(jù)自身實際需求建立相應的數(shù)據(jù)庫。該平臺的整體使用成本較低，適合數(shù)據(jù)存儲量小的土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)[19]。

3.3系統(tǒng)應用

表1所示為本系統(tǒng)與原有監(jiān)測系統(tǒng)在相同時間段、相同監(jiān)測環(huán)境下的部分溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析項目主要包括監(jiān)測全面性、丟包率以及與人工記錄情況的誤差等[20]。

由3組數(shù)據(jù)對比可知，首先，原系統(tǒng)在8∶30，9∶00兩個時刻分別出現(xiàn)了丟包（即數(shù)據(jù)漏測）現(xiàn)象，漏測率高達20%，而本系統(tǒng)并未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因，與原系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定有關。其次，本系統(tǒng)的監(jiān)測結果到與手動統(tǒng)計結果完全相同，而原系統(tǒng)在生化污染土壤逐漸升高的過程中監(jiān)測結果越來越不準確。造成這種現(xiàn)象的原因，可能是原有系統(tǒng)對傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計存在一定的滯后性，導致系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)較真實數(shù)據(jù)略顯后移。綜合而言，本文搭建的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計準確率和統(tǒng)計完整率方面較原有的系統(tǒng)均有很大進步。

4結語

土壤自動監(jiān)測系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。本文構建的土壤界限含水率監(jiān)測系統(tǒng)基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術，充分提升了土壤監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率和監(jiān)測數(shù)據(jù)準確率，還能夠通過低功耗模式降低系統(tǒng)整體對電能的消耗，同時可達到提升系統(tǒng)工作效率和節(jié)能降耗的目標。本文認為，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的結合更具優(yōu)越性，值得其他智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)借鑒。

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（責任編輯：李睿）