基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翟浩霖 單潔

摘? ?要：文章主要闡述了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。結(jié)合NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)，將智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，將溫室環(huán)境信息實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。系統(tǒng)以STM32F103RCT6為主控芯片，包括最小系統(tǒng)模塊，氣體濃度、光照強(qiáng)度、溫度濕度、土壤濕度傳感器模塊，窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊，Usart-GPU串口觸摸液晶屏幕顯示模塊，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境信息的采集、上傳、監(jiān)測(cè)的一體化控制。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng);窄帶物聯(lián)網(wǎng);云平臺(tái)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食是國(guó)家民生大計(jì)。在科技高度發(fā)展的當(dāng)下，如何利用科技力量提高農(nóng)作物產(chǎn)量，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題[1]。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是解決智能農(nóng)業(yè)問(wèn)題的最佳方案[2]，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)結(jié)合農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)，可以及時(shí)獲取農(nóng)田環(huán)境信息并快速做出相應(yīng)預(yù)案，保證控制的實(shí)時(shí)性，能夠節(jié)省大量勞動(dòng)力資源。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）已經(jīng)成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支[3]，能夠滿足數(shù)據(jù)上傳時(shí)間間隔長(zhǎng)、文本信息數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)性要求不高、信號(hào)全面覆蓋、占用帶寬低的需求[4]。

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍廣、成本低廉的技術(shù)特點(diǎn)，將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[5]，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和種植方式，采用NB-IoT技術(shù)，利用云平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示溫室種植環(huán)境信息，可以對(duì)溫室環(huán)境信息進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)和異常情況報(bào)警。系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)采集到的環(huán)境信息進(jìn)行研究和大數(shù)據(jù)分析，使農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境保持在最利于其生長(zhǎng)的環(huán)境。因此，利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以使農(nóng)作物達(dá)到高效生產(chǎn)的結(jié)果。

本系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控制器，氣體濃度傳感器模塊，Usart-GPU串口觸摸液晶屏模塊，光敏型光照強(qiáng)度傳感器模塊，M5310-A傳輸模塊，溫度、濕度傳感器模塊，電容型土壤濕度及酸堿性傳感器模塊構(gòu)成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.2? 系統(tǒng)功能概述。

本系統(tǒng)可以對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。首先，由系統(tǒng)的各類傳感器模塊采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的空氣溫度及濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度及酸堿性、氣體濃度等環(huán)境信息的數(shù)據(jù)值，并顯示在屏幕中。然后，將該信息通過(guò)NB-IoT模塊上傳到中國(guó)移動(dòng)onenet物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，并以折線圖形式可視化顯示。操作人員通過(guò)云平臺(tái)檢測(cè)以及指令下發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。最后，所有的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息都通過(guò)云平臺(tái)顯示出來(lái)，用戶無(wú)論在何處，只要通過(guò)電腦或者手機(jī)登錄云平臺(tái)就可以看到溫室環(huán)境狀況并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。

2? ? 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括：主控制器、供電電源和降壓電路、風(fēng)扇繼電器控制電路、NB-IoT模塊電路、Usart-GPU串口觸摸液晶屏電路、傳感器電路。系統(tǒng)供電由12 V-3 A的供電電源和5 V輸出的降壓電路完成，傳感器電路對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的采集和顯示由主控制器、各個(gè)傳感器和觸摸屏共同完成，整個(gè)系統(tǒng)和云平臺(tái)的連接由NB-IoT模塊完成。

本系統(tǒng)主控制器為STM32F103RCT6芯片，其編程集成度極高，工作電壓3.6 V，內(nèi)核為32位CortexTM-M3中央處理器，CPU頻率為72 MHz，具有51個(gè)通用和復(fù)用功能輸入/輸出（Input/Output，I/O），2個(gè)直接內(nèi)存讀取和存儲(chǔ)的控制器，3個(gè)12 bit精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）。

NB-IoT模塊電路分為M5310-A模塊電路和NB-SIM卡槽電路，其SIM卡連接M5310-A模塊的復(fù)位引腳、時(shí)鐘引腳、接地引腳、供電引腳和數(shù)據(jù)傳輸引腳。

串口液晶屏Usart-GPU模塊包含液晶顯示觸摸屏、MCU和EEPROM存儲(chǔ)器。在串口屏中，漢字和圖片庫(kù)的相關(guān)信息都已經(jīng)通過(guò)EEPROM儲(chǔ)存到屏幕內(nèi)部。在使用時(shí)，系統(tǒng)5 V供電，只需要將串口液晶屏的供電引腳連接5 V電壓，串口屏的發(fā)送端連接作為主控制器最小系統(tǒng)板的串行異步通信接口USART2的數(shù)據(jù)接收端（GPIOA的引腳3），串口屏的接收端連接最小系統(tǒng)板的串行異步通信接口USART2數(shù)據(jù)發(fā)送端（GPIOA的引腳2），通過(guò)發(fā)送儲(chǔ)存在儲(chǔ)存器的相應(yīng)指令就可以實(shí)現(xiàn)需要的功能。傳感器電路模塊包括：空氣溫濕度傳感器，光照強(qiáng)度傳感器，土壤溫濕度、酸堿度傳感器，氣體濃度傳感器等。

2.2? 系統(tǒng)主控軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控制程序包括主控制器對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、上報(bào)。當(dāng)主控制器上電之后，配置系統(tǒng)時(shí)鐘和外設(shè)初始化。在各個(gè)模塊初始化結(jié)束之后，程序進(jìn)入主循環(huán)，等待云平臺(tái)或者觸摸指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。信息采集完成后傳輸給主控制器的是電壓數(shù)據(jù)，例如，溫濕度傳感器傳輸?shù)氖?0 bit的數(shù)字量，只需要一根DATA傳輸線就可以完成數(shù)據(jù)的接收。onenet物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)支持在云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備管理，用戶可以登錄云平臺(tái)監(jiān)控設(shè)備的上線或者下線情況。

3? ? 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果

連接了12 V輸出的鋰電池之后，進(jìn)入系統(tǒng)主界面，分別顯示環(huán)境信息和數(shù)據(jù)上傳兩個(gè)觸摸區(qū)域。觸摸環(huán)境信息區(qū)域可以采集并顯示各類溫室環(huán)境信息;觸摸數(shù)據(jù)上傳區(qū)域顯示數(shù)據(jù)上傳界面，分為時(shí)間設(shè)置、打開(kāi)上傳、關(guān)閉上傳3個(gè)觸摸區(qū)域。觸摸時(shí)間設(shè)置區(qū)域可以人為設(shè)置上傳到云平臺(tái)的時(shí)間間隔;觸摸打開(kāi)上傳區(qū)域可以將采集到的環(huán)境信息通過(guò)NB-IoT模塊上傳到云平臺(tái)，在云平臺(tái)上以折線圖的形式使數(shù)據(jù)可視化顯示;觸摸關(guān)閉上傳區(qū)域可以停止將數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。在onenet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)備管理界面中點(diǎn)擊控制選項(xiàng)，例如風(fēng)扇控制等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開(kāi)關(guān)控制。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本課題開(kāi)發(fā)了一套基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要把近兩年發(fā)展迅速的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)嵌入到主控制器中，對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集并上傳到onenet物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，同時(shí)在云平臺(tái)可以進(jìn)行控制指令的下發(fā)。

在未來(lái)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求會(huì)越來(lái)越多，將該項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸潛力巨大的技術(shù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，使其更高效、更便捷。

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