一種基于BLE和NB-IoT的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)

鄭琪 韓娟 尚冬梅

摘要：本文研制了一種利用NB-IoT遠程無線模組BC95-B8和BLE藍牙短程無線功能，采用美國德州儀器TI公司藍牙短程無線芯片CC2541（BLE4.0）和CC2640R2L（BLE5.1），用于農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)作物主要生長參數(shù)的監(jiān)測，使農(nóng)作物在適宜的環(huán)境下生長，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，提高勞動效率、節(jié)約成本，實現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)。采用嵌入式控制系統(tǒng)，配有高性價比的環(huán)境溫濕度、二氧化碳、氧氣、光照度的傳感器，以及土壤溫濕度、pH值等傳感器?？蓪崿F(xiàn)實地、遠程、任何地方實時監(jiān)測，在遠程終端或手機以及便攜式設(shè)備隨時隨地進行各種參數(shù)的查看、獲取超出設(shè)置范圍的報警信息，及時做出應對措施，使農(nóng)作物在合適的條件下生長，節(jié)省人力物力，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)。提出了可增加AI功能減少人工監(jiān)測的資源浪費，達到綠色化生產(chǎn)和管理。

關(guān)鍵詞：NB-IoT; BLE; 物聯(lián)網(wǎng); Bluetooth; 無線遠傳;AI人工智能

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0141-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

An Internet of things Agricultural Greenhouse Monitoring System Based on BLE and NB-IoT

ZHENG Qi，HAN Juan，SHANG Dong-Mei

（Xian University of Science and Technology， Engineering Training Center， Xian 710000，China）

Abstract： In this paper， a kind of long-distance Wireless NB-IoT and BLE4.0 Bluetooth short-distance wireless function is developed， which can be used to monitor the main growth parameters of crops in the agricultural greenhouse， so that the crops can grow in the suitable environment， and the yield and quality can be improved， raise Labor efficiency， save cost， realize green agriculture. The embedded control system， with a high cost-effective environmental temperature and humidity， carbon dioxide， oxygen， illumination sensors， as well as soil temperature and humidity， PH sensors. It can realize real-time monitoring in real-time， remote and anywhere， check various parameters at any time and any place in remote terminal or mobile phone and portable device， obtain alarm information beyond setting range and make timely response measures so that crops in the appropriate conditions to grow， save manpower and material resources to achieve precision agriculture. It is proposed that AI can be added to reduce the waste of resources by manual monitoring， to achieve green production and management.

Key words： NB-IoT; BLE; internet of things; bluetooth; long-distance wireless communication;AI

農(nóng)業(yè)大棚主要信息包括：環(huán)境溫濕度、二氧化碳、氧氣、光照度、土壤溫濕度、pH值等。這些信息既描述環(huán)境條件，又反映作物生長狀況，是進行各項農(nóng)藝操作的參考依據(jù)。采集準確的農(nóng)業(yè)信息，是進行科學研究和各項農(nóng)藝操作、農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。

傳統(tǒng)的信息監(jiān)測是以人工為主，不僅工作量大、精確度也不高，容易對科學研究質(zhì)量和農(nóng)藝操作效果造成影響。在現(xiàn)在大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)的背景下，不同新型技術(shù)被研發(fā)出來，用于農(nóng)田信息采集。不同的技術(shù)適應于不同的生態(tài)區(qū)域和信息內(nèi)容。無論用哪種技術(shù)，必須將設(shè)備整合成一個系統(tǒng)，才能實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚信息的高效準確采集。

本文所述系統(tǒng)是采用檢測各個測量點傳感器與低功耗藍牙芯片連接，通過藍牙與大棚核心主芯片通信，存儲各個測量點相關(guān)數(shù)據(jù)、進行處理，通過NB-IOT上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務器，可通過電腦瀏覽器、或經(jīng)過蜂窩移動網(wǎng)用手機進行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)主要由信號采集設(shè)備、云平臺、大棚管理系統(tǒng)組成。其中采集設(shè)備通過傳感器采集大棚內(nèi)的空氣溫濕度、植物附近的光照度、氧氣和二氧化碳的濃度，以及農(nóng)作物土壤溫濕度和pH值;利用通信模塊將信息傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺負責設(shè)備接入和數(shù)據(jù)處理功能，大棚管理系統(tǒng)主要顯示相關(guān)實時和歷史信息及數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢。

2采集及監(jiān)控設(shè)備選取及設(shè)計

采集設(shè)備主要是采集數(shù)據(jù)、傳輸及調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。采集設(shè)備由主控制器、傳感器、NB-IOT通信模塊、電機、電源、控制設(shè)備等組成。主控制器選用美國德州儀器TI公司的CC2541和CC2640R2L。傳感器選用：普瑞森社的土壤溫濕度傳感器、pH值傳感器、空氣中氧氣和植株光照度傳感器，Sensirion的SCD30測量空氣中的溫濕度和二氧化碳濃度。NB-IOT通訊模組選用電信的BC95-B5，該模組硬件接口豐富，可很好地完成數(shù)據(jù)傳輸;電源模塊可很好地為各個采集設(shè)備模塊等提供穩(wěn)定電壓。

采集設(shè)備的軟件部分基于C語言開發(fā)。采集設(shè)備上電后，首先對CC2541、CC2640R2L和各個傳感器進行初始化，完成后，將所采集的信息傳入主控制器CC2541，主控制器CC2541可將采集信息與預設(shè)信息閾值范圍進行比較，超出的話，啟動相應控制設(shè)備進行調(diào)節(jié)，直到采集信息值達到閾值范圍之內(nèi)，比如：卷簾的拉起和垂落、通風機、滴灌設(shè)備的開啟和關(guān)閉等。在一定間隔之后將數(shù)據(jù)傳輸給CC2640R2L，CC2640R2L再經(jīng)NB-IOT通信模組BC95-B8將數(shù)據(jù)通過基站和蜂窩移動網(wǎng)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺的大棚管理系統(tǒng)中。物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務器運行大棚管理系統(tǒng)，可通過與服務器連接的電腦或相關(guān)人員的手機進行采集信息的查看和對大棚控制設(shè)備進行控制，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)相關(guān)采集信息到要求范圍，也可對大棚內(nèi)信息范圍進行設(shè)置和修改，通過網(wǎng)絡下傳到各個大棚的主控制器存儲器上。

在一個農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，普瑞森社的多個點土壤的pH值、植株光照度、溫濕度傳感器可用導線連接在一起，多個點的氧氣濃度傳感器也可用導線連接在一起，信號輸出0-5V，再分別經(jīng)過分壓接到CC2541的GPIO口（具有ADC功能）上，1個點的 Sensirion的SCD30測量空氣中的溫濕度和二氧化碳濃度直接接到CC2541上的帶有I2C的功能引腳上。一個棚內(nèi)的所有CC2541通過BLE接到農(nóng)場的CC541或CC2640R2L，農(nóng)場所有的CC2541接到CC2640R2L; CC2640R2L通過UART功能的IO引腳與NB-IOT通訊模組BC95-B8相連。經(jīng)處理的信息經(jīng)NB-IOT通訊模組BC95-B8傳到NB-IOT基站，再上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務器經(jīng)網(wǎng)絡與電腦鏈接，基站可與手機相連，故可通過電腦及相關(guān)人員的手機對大棚進行監(jiān)控。

美國德州儀器TI公司的CC2541和CC2640R2L供電電壓是3.6V以下，SCD30的電壓是3.3-5.5V，而普瑞森社的傳感器供電電壓是10-30V，所以普瑞森社的傳感器的電源電壓需經(jīng)過降壓后才能供給Sensirion的SCD30、TI公司的CC2541和CC2640R2L。

一個大棚中所有的土壤pH值、植株光照度、溫濕度傳感器以及空氣氧氣濃度傳感器分別用導線連接，各種傳感器接到CC2541的4個帶ADC功能的IO口上，14個位置的SCD30的CO2濃度及空氣溫濕度傳感器通過I2C與CC2541的2、3腳相連，基本上一個棚中所有傳感器用幾個CC2541即可滿足需求，各個大棚的CC2541通過BLE與CC2640R2L連接通信，CC2640R2L通過UART功能的IO引腳與NB-IOT通訊模組BC95-B8相連，BC95-B8與基站通信，基站與物聯(lián)網(wǎng)云平臺通信，從而實現(xiàn)通過電腦或手機對大棚進行監(jiān)控。

CC2541是美國德州儀器TI公司帶I2C接口功能的BLE（低功耗藍牙4.0）芯片，40個引腳，高達0dBm的可編程的輸出功率，出色的接收器靈敏度，可選擇性和阻擋功能，適合于符合世界范圍內(nèi)的無線電頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有代碼預取功能的高性能和低功率8051微控制器內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM在所有功率模式下具有保護功能，支持硬件調(diào)試，擴展基帶自動化，包括自動確認和地址解碼;CC2640R2L是TI公司的最近推出的2.4 GHz無線微控制器（MCU），支持低功耗Bluetooth 5.1（新增強大室內(nèi)定位能力）和專用2.4 GHz應用，包括Wi-Fi?、Bluetooth Low Energy、Thread、ZigBee?、Sub-1 GHz MCU和主機MCU，使用單核軟件開發(fā)工具包（SDK）和豐富的工具集，使用一個通用、易于使用的開發(fā)環(huán)境;能收發(fā)范圍更大的射頻信號。內(nèi)核方面，主CPU是ARM? Cortex?-M0內(nèi)核， CC2640R2L是48 MHz ARM? Cortex?-M3內(nèi)核，CC2640R2L都擁有275KB 非易失性存儲器，包括128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，高達 28KB系統(tǒng)SRAM，其中20KB為SRAM。CC2640R2L減少的器件使其價格低， 支持“空中傳送”升級（OTA），更加滿足基礎(chǔ)透傳功能的應用場景。集成溫度傳感器， 正常工作電源電壓范圍1.8至3.8 V，射頻部分：2.4 GHz射頻收發(fā)器，兼容藍牙低功耗5.1和早期的LE規(guī)范，出色的接收機靈敏度（BLE為-97 dBm）、選擇性和阻塞性能， 可編程輸出功率高達+5 dBm，單端或差分射頻接口。

普瑞森社的土壤pH值和溫濕度、植株光照度、空氣中氧氣濃度傳感器均是電源電壓為10-30V，輸出4根線（可選3根線，其中綠色信號負可不接），包括電源線2根：棕色為正級，黑色為負極，輸出線2根：藍色為信號正，綠色為信號負;傳感器選用輸出為0-5V的型號。同類傳感器可用線連接在一起，輸出經(jīng)電阻分壓后再接到CC2541的帶ADC功能的GPIO口上;普瑞森社的土壤pH值傳感器默認直流電源電壓為5-30V，最大輸出功率為0.4W（12V DC供電）， 傳感器內(nèi)輸入電源，感應探頭，信號輸出三部分完全隔離。探頭采用PH電極，信號穩(wěn)定，精度高。具有測量范圍寬、線形度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠等特點。量程為3-9PH，分辨率0.1，精度±0.3PH，工作溫度-20℃～60℃，長期穩(wěn)定性≤5%/year，響應時間≤10S，探針為防腐特制電極，用黑色阻燃環(huán)氧樹脂密封，外形尺寸45*15*123mm，負載能力輸出電阻≤250Ω，換算公式為3+（VO/5）*6K，其中VO是輸出電壓，K是電阻分壓比;土壤溫濕度傳感器不同的是最大功耗0.3W（12V DC供電），工作溫度-40℃～+60℃，土壤溫度參數(shù)量程-40～80℃、精度±0.5℃，土壤水分參數(shù)量程0-100%、精度0-50%內(nèi)2%、50-100%內(nèi)3%，探針為防腐特制電極，藍色線為溫度信號輸出，黃色線為水分信號輸出;計算公式為 P 溫度=V（電壓）*24*K-40（℃），P 濕度=V（電壓）*K*20（%）。在溫度20℃、相對濕度50%RH、1個大氣壓，待測氣體濃度最大不超過傳感器量程的環(huán)境下測得：空氣中氧氣濃度傳感器功耗0.25W， 工作溫度-20～50℃， 工作濕度5～95%RH 無冷凝， 壓力范圍90～110Kpa， 穩(wěn)定性≤5%信號值/年， 響應時間≤10S， 預熱時間≥5分鐘， 零點漂移（-20～40℃）±0.3%Vol， 使用壽命≥24個月， 量程0～25%Vol， 精度±3%FS， 分辨率0.1%VOL， 轉(zhuǎn)換公式是基于25℃和1個大氣壓：X ppm = （Y mg/m3）（24.45）/（分子量）或Y mg/m3 = （X ppm）（分子量）/24.45，僅適用于計算氧氣（O2）：

1%Vol=10000ppm、1ppm=1.31mg/m3;Sensirion的SCD30傳感器是帶溫濕度檢測的二氧化碳濃度傳感器，直流供電電壓為3.3-5.5V，二氧化碳檢測范圍是0-40000ppm，精確度400 ppm – 10000 ppm內(nèi)為± （30 ppm + 3%MV），重復性同樣范圍為± 10 ppm，在T = 0 … 50°C范圍中溫度穩(wěn)定值為± 2.5 ppm / °C，響應時間為20 s，使用壽命內(nèi)精確度漂移± 50 ppm，空氣濕度參數(shù)范圍0 %RH – 100 %RH，在0 %RH – 100 %RH下準確度± 3 %RH，重復時間8 s，精確度漂移< 0.25 %RH / year，空氣溫度參數(shù)范圍- 40°C – 70°C，在0 – 50°C下，精確度為± （0.4°C + 0.023 × （T [°C] – 25°C）），重復性誤差為± 0.1°C，重復時間> 10 s，精確度漂移< 0.03 °C / year，以上所有參數(shù)都是在T = 25°C， 適度 = 50 %RH， p = 1013 mbar， VDD = 3.3 V， 連續(xù)測量模式每次測量速率為 2 s時的。它的接口可以是UART、I2C、PWM。使用壽命為17年。

無線通信NB-IOT模塊BC95-B8，特點：尺寸小、重量輕、超低功耗、超高靈敏度，它的頻段為900MHz，輸出功率23dBm±2dB，靈敏度-129dBm±1dB，功耗在省電模式為5uA、空閑模式為6mA，接口模式有USIM、ADC、天線各1個，2個UART，支持的協(xié)議棧有Ipv4、UDP、COAP，下載方式UART，短信為點對點、文本和PDU模式，94個管腳，供電電壓為3.1-4.2V，典型值3.6V，溫度范圍為-40～85℃，外形尺寸19.9mm*23.6mm*2.2mm，重量1.8g±0.2g。

3物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)平臺作為采集設(shè)備的接入平臺，實現(xiàn)了采集設(shè)備的接入、數(shù)據(jù)的解析和推送等功能。首先在物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行接入設(shè)備的注冊，然后對設(shè)備提供的服務進行定義，完成設(shè)備在平臺的功能配置，然后對編解碼插件的開發(fā)，最后對設(shè)備進行調(diào)試入網(wǎng)，確保設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺。

4終端主控制器可增加AI功能

植物良好生長狀態(tài)的各個階段數(shù)據(jù)可以存儲在終端主控制器CC2541和CC2640R2L上，也可以存放在云平臺的服務器上。終端主控制器CC2541和CC2640R2L可通過采集數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣計算或跟服務器通信與植物良好生長狀態(tài)比較，運用AI功能進行自動監(jiān)控，一般情況下不需要人為干預，只是在嚴重極端情況下，通過電腦或手機給相關(guān)人員以聲光報警形式進行警示，這樣大大減少了人員、時間等資源的浪費。

5 結(jié)語

本文所述的基于BLE和NB-IOT的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)，使用了藍牙低功耗和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)支持擴展、功能全面、使用靈活，可組成自組織、低功耗無線傳感網(wǎng)絡;在戶外使用低功耗藍牙技術(shù)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將藍牙低功耗技術(shù)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機地結(jié)合在一起，形成了業(yè)界相對新穎、優(yōu)點突出的低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的一種方式。盡可能給大家起到拋磚引玉的作用。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】