基于NB-IoT的茶園監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

阮星 譚鈞文 陳金水

摘? 要：本文主要對基于NB-IoT的茶山監(jiān)控系統(tǒng)APP進行相關(guān)的設(shè)計，從APP的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成和后臺進行闡述。通過硬件和軟件兩個方面進行實現(xiàn)：硬件方面主要是KL36單片機作為主要的處理器，通過各類與之相關(guān)的傳感器進行設(shè)計與開發(fā)，對電源、溫度傳感器、濕度傳感器、LCD、串口通信等模塊也統(tǒng)一進行了設(shè)計和規(guī)劃。軟件方面主要介紹了這套系統(tǒng)的運行方式，并且用手機APP的形式體現(xiàn)出來，使用者可以更好地進行人機交互，并且通過一定的方式降低了嵌入式開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;嵌入式;APP;傳感器

Abstract：This paper focuses on the design of NB-IoT tea hill monitoring system based on the APP，from the APP structure，composition，and background. Through hardware and software to achieve：hardware is the main KL36 MCU as the main processor through the design and development of all kinds of related sensors，the power supply，temperature sensor，humidity sensor，LCD，serial communication module is also unified design and planning. The software mainly introduces the operation mode of this system，which is reflected in the form of mobile APP. Users can have better human-computer interaction and reduce the embedded development cost in a certain way.

Keyword：NB-IoT;embedded;APP;sensor

0? 引? 言

溫濕度現(xiàn)在已經(jīng)是工業(yè)生產(chǎn)和儲存過程中最常用、最普遍的參數(shù)。溫濕度的檢測在現(xiàn)在的檢測技術(shù)中占據(jù)了很大的比重，隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的進步和社會生活環(huán)境的不斷發(fā)展，越來越多的行業(yè)對于溫濕度的要求開始變高。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年有將近三分之一的產(chǎn)品是因為潮濕問題而變成了不良產(chǎn)品[1]。對于電力設(shè)備和工業(yè)精密儀器，潮濕已經(jīng)成為困擾運營商的主要因素。而潮濕問題現(xiàn)在也成為電子設(shè)備需要克服的一個大問題，同時也是生產(chǎn)廠家面臨的最大問題。這些問題不止在工業(yè)中有這種影響，在農(nóng)業(yè)中帶來的問題也很大。比如在溫室大棚中，溫濕度的影響會直接關(guān)系到作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，這點在茶葉產(chǎn)地中尤其突出。

到現(xiàn)在為止，我國的很多地方，監(jiān)測溫濕度依舊需要有經(jīng)驗的農(nóng)民通過身體觸感去判斷，或者通過大量的有線設(shè)備監(jiān)控，但是有線設(shè)備不僅僅會因為鋪設(shè)大量光纖或者電纜降低整套設(shè)備的靈活性和延展性，而且當(dāng)各種電線混在一起時，不能保證它們相互之間沒有影響，甚至不同的電線在一起傳輸時有可能互相干擾[2]。當(dāng)需要檢測的東西過多或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)過于龐大的時候，不僅僅會使成本直線上升，而且電線的分布會更加復(fù)雜，相互干擾的問題會更加嚴重。通過研究當(dāng)前的溫濕度環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計溫濕度環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一個大的方向和趨勢。因此，研究一個具有高效性和具有高性價比的系統(tǒng)是非常有意義的[3]。

1? 總體設(shè)計

我們研究的這套系統(tǒng)的硬件端主要通過各類傳感器進行NB-IoT通信。NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)（Application Architec-ture）整體描述NB-IoT應(yīng)用開發(fā)所涉及的基本知識結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)開發(fā)過程涉及的微控制器（MCU）、NB-IoT通信、人機交互系統(tǒng)等層次[4]。

從應(yīng)用層面的技術(shù)開發(fā)角度來說，NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)（如圖1所示）可以抽象為NB-IoT終端（UE）、NB-IoT信息郵局（MPO）、NB-IoT人機交互系統(tǒng)（HCI）三個組成部分，這種抽象為開發(fā)NB-IoT應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[5]。

2? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

NB-IoT溫濕度監(jiān)控硬件部分由TTL-USB串口線、擴展底板、彩色LCD等部分組成。

硬件電路的設(shè)計目標(biāo)是將MCU、通信模組、電子卡、MCU最小硬件系統(tǒng)等形成一個整體，集中在一個SOC片子上，能夠滿足大部分終端UE產(chǎn)品的設(shè)計需要。設(shè)計的開發(fā)套件中內(nèi)含電子卡，在業(yè)務(wù)方面，包含一定流量費。在出廠時含有硬件檢測程序（基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS+基本用戶程序），當(dāng)用戶獲得該芯片，直接供電，即可運行程序，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信。開發(fā)套件中的軟件設(shè)計目標(biāo)是把硬件驅(qū)動按規(guī)范設(shè)計好，固化于BIOS提供靜態(tài)連接庫及工程模板，可節(jié)省開發(fā)人員的大量時間，同時給出與人機交互系統(tǒng)HCI的工程模板級實例，為系統(tǒng)整體聯(lián)通提供示范[6]。

3? 硬件系統(tǒng)和軟件的通信

NB-IoT的信息郵局可以從很多個角度去看待。

從物理角度看，NB-IoT基站由戶外的鐵塔與NB-IoT基站路由器構(gòu)成。鐵塔是基站路由器支撐機構(gòu)，作用是把NB-IoT基站路由器高高地掛起，提高NB-IoT基站路由器的無線覆蓋范圍;從應(yīng)用開發(fā)用戶編程角度來看，NB-IoT基站路由器是個中間過渡[7]。

信息郵局MPO中的云服務(wù)器CS可以是一個實體服務(wù)器，也可以是幾處分散的云服務(wù)器，對編程者來說，它就是具體信息偵聽功能的固定IP地址與端口[8]。這是要向信息郵局MPO運營商或第三方機構(gòu)申請并繳納費用的。

云服務(wù)器通過一個固定的IP地址接收終端UE向固定端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過偵聽程序負責(zé)接收這些數(shù)據(jù)，偵聽程序主要負責(zé)監(jiān)視UE是否發(fā)來數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)，就把它收下來放入數(shù)據(jù)庫，還要負責(zé)把人機交互系統(tǒng)HCI送給終端UE的數(shù)據(jù)發(fā)送給終端[9]。

云服務(wù)器具有固定的IP地址和端口號，是偵聽程序及數(shù)據(jù)庫的物理支撐。在云服務(wù)器里面可以完成偵聽程序及數(shù)據(jù)庫的更新和運行，云服務(wù)器的訪問需要用戶名和密碼。通過手機APP在云服務(wù)器上讀取需要的數(shù)據(jù)，從而顯示在個人設(shè)備上（APP顯示數(shù)據(jù)如圖2所示）。

4? 手機APP設(shè)計

4.1? 手機APP開發(fā)平臺介紹

本項目的手機APP設(shè)計采用Android Studio作為開發(fā)平臺，Android Studio是谷歌推出的一個Android集成開發(fā)工具，基于IntelliJ IDEA.可以更好地開發(fā)適合用戶的軟件。

4.2? 手機APP界面框圖

APP的界面設(shè)計方面，我們遵循Google的Material Design設(shè)計理念，將界面進行了優(yōu)化，使用戶更好地體驗層次感，并且專注于APP本身，不會體驗到生澀感[10]。

APP的設(shè)計從最直觀的界面和功能到最底層的代碼編寫都是極其重要的。對于APP的架構(gòu)設(shè)計和界面設(shè)計，我們有著較高的追求，核心宗旨是簡潔。為了方便團隊分工合作、提高代碼的可擴展和可維護性，目前主要的手機系統(tǒng)是蘋果公司的IOS和谷歌的Android系統(tǒng)，所以我們制作的與之相關(guān)的APP在兩個操作系統(tǒng)上面都是可以使用的，APP界面設(shè)計如圖3所示。

4.3? 手機APP與服務(wù)器連接

監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過各類傳感器上傳到服務(wù)器，手機APP通過post請求調(diào)用服務(wù)器預(yù)留給APP的一個API接口，將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到手機端，為了保證安全，APP上同時需要輸入云服務(wù)器具有權(quán)限的用戶名和密碼才可以訪問數(shù)據(jù)。

5? 結(jié)? 論

本文主要對基于NB-IoT茶山監(jiān)控系統(tǒng)的APP進行相關(guān)的設(shè)計，從硬件的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成、和后臺進行闡述。并且闡述了硬件和軟件APP需要的技術(shù)支持，其具有較高的應(yīng)用價值和很大的市場空間。

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作者簡介：譚鈞文（1998-），男，漢族，湖南長沙人，本科在讀，研究方向：Android軟件開發(fā)、Java程序設(shè)計、Python。