基于NB-IoT的高原日光溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

肖 楊，嚴(yán)李強(qiáng)，宋 赫，田 博

（西藏大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，拉薩 850000）

0 引言

西藏?fù)碛幸宿r(nóng)耕地680.57萬畝，僅占全區(qū)土地總面積的0.42%[1]。自西藏地區(qū)引入了以日光溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)后，耕種條件得到了極大改善，但目前很多與設(shè)施農(nóng)業(yè)相適配的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在高原地區(qū)使用時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)高原不適應(yīng)性，不能很好地在高原地區(qū)使用。以拉薩地區(qū)為例，不少農(nóng)戶都曾引入過內(nèi)地先進(jìn)設(shè)備來改善生產(chǎn)，因設(shè)備適應(yīng)性差，使用壽命短等原因，最終還是選擇傳統(tǒng)的人工模式進(jìn)行生產(chǎn)，這種模式對(duì)農(nóng)戶的經(jīng)驗(yàn)依賴性太強(qiáng)，不利于進(jìn)一步發(fā)展。此外，現(xiàn)有的日光溫室環(huán)境系統(tǒng)主要側(cè)重于監(jiān)測(cè)與作物生長(zhǎng)直接相關(guān)的因素，而很少關(guān)注溫室外部環(huán)境的影響以及溫室安全生產(chǎn)問題；為了進(jìn)一步改善農(nóng)戶的生產(chǎn)條件，本文結(jié)合西藏地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)情況和電氣特性，提出了一種基于NB-IoT的高原日光溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，持續(xù)穩(wěn)定地對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行全時(shí)空監(jiān)測(cè)，同時(shí)考慮了外部環(huán)境非生物因子在內(nèi)部環(huán)境調(diào)節(jié)過程中可能造成的影響，提高了農(nóng)戶決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，減少因突發(fā)情況造成的損失，發(fā)揮了智慧農(nóng)業(yè)的先進(jìn)性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于NB-IoT的高原日光溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分[2]，涉及溫室內(nèi)外環(huán)境信息的采集、處理、傳輸以及監(jiān)測(cè)信息的多端顯示。總體框架可分為感知層、數(shù)據(jù)處理層、傳輸層以及應(yīng)用層[3]。感知層主要依靠各傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息；數(shù)據(jù)處理層由主控芯片，存儲(chǔ)電路構(gòu)成；傳輸層使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)經(jīng)基站與MQTT服務(wù)器端建立連接，再由服務(wù)器端通過公網(wǎng)連接應(yīng)用層；應(yīng)用層則以微信小程序的形式為用戶和硬件系統(tǒng)提供一種可跨空間的交互模式，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由各傳感器節(jié)點(diǎn)組成的監(jiān)測(cè)模塊、用戶交互模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊構(gòu)成。受高原地區(qū)海拔相對(duì)較高、空氣壓力和密度較低、空氣絕對(duì)濕度小、空氣溫度低、溫差大以及紫外線強(qiáng)[4]等特殊條件影響，內(nèi)地生產(chǎn)的很多農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到了高原常會(huì)出現(xiàn)功率下降、放電電壓降低，甚至無法正常工作等問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也著重考慮了硬件設(shè)備的高原適應(yīng)性，即所有的電氣設(shè)備必須滿足國標(biāo)GB∕T22580—2008（特殊環(huán)境條件高原電氣設(shè)備技術(shù)要求低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備）[5]中的相關(guān)要求，且具有較好的耐凍性，確保在高原環(huán)境下能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作。

2.1 監(jiān)測(cè)模塊

常見的日光溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中很少涉及對(duì)火情等災(zāi)害監(jiān)控，但類似于2019年3月26日，唐山市突發(fā)大火，近300座溫室大棚被燒毀，直接造成多于5 000萬元經(jīng)濟(jì)損失的情況每年都在上演[6]。為了避免此類悲劇再次發(fā)生，系統(tǒng)中加入了煙霧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)部的煙霧情況，一旦出現(xiàn)火災(zāi)等情況時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警提醒農(nóng)戶，避免產(chǎn)生更大的損失。此外，現(xiàn)有的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中很少對(duì)所處的外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但近年來農(nóng)業(yè)受洪澇、干旱、大風(fēng)、冰雹、冰霜凍、低溫冷害、雷電災(zāi)害等自然災(zāi)害影響嚴(yán)重[7]，僅僅依靠天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行預(yù)警往往存在準(zhǔn)確性低或農(nóng)戶未及時(shí)關(guān)注等情況，因此在本系統(tǒng)中搭建了外部環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，有利于準(zhǔn)確掌握溫室所處的小氣候條件，作為調(diào)控內(nèi)部環(huán)境的參考依據(jù)；在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)趨利避害和防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮著重要作用[8]。

傳感器采集信息的準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要；高原地區(qū)高寒、晝夜溫差巨大、紫外線強(qiáng)等氣候特征也為傳感器的性能提出了更高的要求，為確保系統(tǒng)能在極端高原條件下能夠持續(xù)穩(wěn)定地采集信息，所選擇的傳感器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

此外，考慮傳感器應(yīng)用場(chǎng)景不同，將系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模塊分為了室內(nèi)監(jiān)測(cè)模塊和室外監(jiān)測(cè)模塊兩部分。室內(nèi)監(jiān)測(cè)模塊由煙霧傳感器、土壤和空氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器以及光照光強(qiáng)傳感器組成，在溫室內(nèi)部采用分布式布局，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全局準(zhǔn)確性。室外監(jiān)測(cè)模塊由光照傳感器、雨雪傳感器、風(fēng)速傳感器組成[9]，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)外部天氣災(zāi)害。

2.2 用戶交互模塊

為了提升農(nóng)戶的使用體驗(yàn)，降低農(nóng)戶的學(xué)習(xí)成本，硬件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了由按鍵模塊、蜂鳴器以及OLED顯示屏組成的用戶交互模塊。通過按鍵模塊，農(nóng)戶可自主地選擇想要的模式，并根據(jù)溫室內(nèi)實(shí)際情況自主地設(shè)置各環(huán)境參數(shù)的報(bào)警閾值；同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)情況以不同的形式展示在OLED屏上，若監(jiān)測(cè)到出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)突變等情況時(shí)蜂鳴器則發(fā)出不同的聲音提醒農(nóng)戶。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊由主控芯片和SD卡存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。主控制芯片選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6型芯片；STM32F103系列采用ARM32位的CortexTM-M3 CPU，帶64 K存儲(chǔ)器、兩個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及眾多快速I∕O端口、定時(shí)器和通信接口。芯片還提供了休眠、停止和待機(jī)3種工作模式，能夠針對(duì)不同能耗需求進(jìn)行選擇實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行，該芯片能夠滿足傳感器數(shù)據(jù)采集、處理以及傳輸?shù)裙δ苄枨骩10]。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾栽O(shè)置了SD卡存儲(chǔ)模塊，當(dāng)主控芯片接收監(jiān)測(cè)信息時(shí)，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后存入存儲(chǔ)模塊中，再經(jīng)通信模塊上傳至MQTT服務(wù)器端進(jìn)行存儲(chǔ)，若傳輸過程中出現(xiàn)丟包等情況，則從存儲(chǔ)模塊中再次調(diào)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)字段重新傳輸。SD卡存儲(chǔ)模塊采用可拆卸式，允許農(nóng)戶在本地讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊部分電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊部分電路

2.4 通信模塊

當(dāng)前階段的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大多采用ZigBee、GSM、Bluetooth等無線通信技術(shù)，這些技術(shù)普遍存在通信受限制、消耗的功率大、終端數(shù)量易飽和等問題[10]。同時(shí)，受西藏地區(qū)特殊的環(huán)境條件影響，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)相比內(nèi)地稍微緩慢些，部分地區(qū)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量也不太穩(wěn)定。從西藏地區(qū)的實(shí)際條件出發(fā)，系統(tǒng)的通信模塊采用BC35-G，它使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)之上；與3G或4G相比，有著單位帶寬內(nèi)可攜帶更高能量，覆蓋更遠(yuǎn)的距離，具有覆蓋范圍廣、成本低廉的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能滿足覆蓋范圍廣的農(nóng)村地區(qū)通信需求，還能提供比較全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋[11]，符合項(xiàng)目需要。經(jīng)調(diào)查，西藏地區(qū)電信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積最為廣泛，則選用電信物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性，通信模塊電路如圖3所示。

圖3 通信模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)選擇與部署

目前市面上主流的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有移動(dòng)公司的OneNET開放平臺(tái)、電信公司的CTWing、百度智能云天工以及阿里云IoT等，平臺(tái)大都支持CoAP（LWM2M）、MQTT、Modbus、HTTP、HTTPS、TCP、UDP等主流協(xié)議[12]。但這些平臺(tái)在接入終端設(shè)備時(shí)，需要編寫設(shè)備Profile文件和解析設(shè)備數(shù)據(jù)的編解碼插件，增加了用戶在接入平臺(tái)時(shí)的難度；此外，這些平臺(tái)大都不支持用戶根據(jù)自身需要存儲(chǔ)、分析上傳至平臺(tái)端的數(shù)據(jù)，很難在其基礎(chǔ)上進(jìn)行個(gè)性化開發(fā)?；谏鲜鰡栴}，系統(tǒng)采用輕量級(jí)的MQTT消息服務(wù)器存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、訂閱相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

MQTT是一個(gè)基于發(fā)布∕訂閱（publish∕subscribe）模式的消息傳輸協(xié)議。它具有輕量級(jí)、開放、簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，通信帶寬要求低等特點(diǎn)，能夠在不可靠網(wǎng)絡(luò)下保證遠(yuǎn)距離傳輸質(zhì)量。在通訊時(shí)，MQTT協(xié)議中包含有3種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務(wù)器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可同時(shí)為訂閱者。每個(gè)發(fā)布者可以發(fā)送不同類型的消息，發(fā)送消息的類型叫做主題（Topic），MQTT通信中的消息都屬于某一個(gè)主題，只有這個(gè)主題的訂閱者才能收到該主題的消息[13]。系統(tǒng)使用EMQX服務(wù)器作為中介建立溫室內(nèi)的終端設(shè)備與微信小程序端的連接；服務(wù)器端能夠?qū)⒔K端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息利用JSON格式解析還原為所代表的參數(shù)類型及實(shí)際參數(shù)，然后存儲(chǔ)至MYSQL數(shù)據(jù)庫中。農(nóng)戶在微信小程序端訂閱自己溫室對(duì)應(yīng)的主題即可查看溫室內(nèi)環(huán)境信息，鏈接過程如圖4所示。

圖4 終端設(shè)備與用戶端鏈接示意圖

系統(tǒng)使用KEIL MDK5集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行STM32程序的編寫與編譯，并通過USB連接電腦和終端設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與程序燒寫；STM32與NB模塊之間采用USART通信，而NB模塊與EMQX服務(wù)器端識(shí)用MQTT協(xié)議進(jìn)行連接；在使用MQTT協(xié)議連接終端設(shè)備與用戶端設(shè)備時(shí)，需要使用AT指令建立終端設(shè)備與服務(wù)器之間的連接，在使用用戶端對(duì)終端進(jìn)行操作過程中也需要用到AT指令。NB通信模塊的生產(chǎn)商提供了大量的AT指令，在系統(tǒng)中可以直接進(jìn)行調(diào)用，系統(tǒng)配置中使用的部分AT指令集及其注釋如表2所示。

表2 建立通信使用AT指令及其注釋

3.2 微信小程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自2017年12月微信小程序正式上線以來，其憑借便捷性、跨平臺(tái)性等優(yōu)勢(shì)得到了極大地發(fā)展；本文基于微信小程序隨掃隨用、無需下載、易于開發(fā)等特點(diǎn)，開發(fā)了日光溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為系統(tǒng)的用戶端，包含用戶注冊(cè)、用戶信息管理、設(shè)備管理、設(shè)備數(shù)據(jù)訂閱、查詢以及簡(jiǎn)單控制終端設(shè)備等功能。

要在微信小程序端實(shí)時(shí)查閱溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息需要與MQTT服務(wù)器端進(jìn)行連接，這一過程基于HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。當(dāng)EMQX服務(wù)器端設(shè)備處于在線狀態(tài)時(shí)，在微信小程序端即可成功訂閱設(shè)備所對(duì)應(yīng)的Topic；此時(shí)，一旦EMQX服務(wù)器端收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，小程序端就能同步查收到相應(yīng)內(nèi)容。此外，微信小程序端除了能夠接收到數(shù)據(jù)外也能發(fā)送下行命令，與服務(wù)器端具體的通信過程如圖5所示。

圖5 小程序與服務(wù)器端的通信

4 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果

4.1 終端設(shè)備功能調(diào)試

目前終端設(shè)備仍處于在開發(fā)板測(cè)試階段，并未將設(shè)備集成化。設(shè)備開啟后，串口、傳感器、通信模塊等進(jìn)入初始化狀態(tài)，并不斷檢查設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；各模塊初始化完成后則進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序，以串口通信方式將傳感器采集到的信息顯示在OLED屏幕上，系統(tǒng)的采樣周期為10 s一次。通過屏幕上的提示信息，能清楚地知道當(dāng)前終端設(shè)備所處的狀態(tài)，并根據(jù)提示信息進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用微濕的紙巾包裹住土壤濕度傳感器模擬傳感器插入土壤中的效果，其他傳感器未做干預(yù)；通過終端上的OLED屏幕，可清楚的看到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)值以及對(duì)應(yīng)的報(bào)警閾值，如圖6所示。在測(cè)試中，實(shí)際監(jiān)測(cè)到的空氣溫度為30.6℃，濕度為43.2%，而設(shè)置的空氣溫度上限為45℃，空氣濕度上限為70%，屬于閾值內(nèi)，因而蜂鳴器未發(fā)出報(bào)警信息。當(dāng)用手捂住溫度傳感器后，溫度超過上限閾值發(fā)出警報(bào)提醒，表明預(yù)警功能正常。

圖6 終端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面展示

4.2 小程序端

首次進(jìn)入小程序時(shí)按照提示：注冊(cè)賬號(hào)→登錄→設(shè)置用戶信息→綁定終端設(shè)備（即根據(jù)終端上的iemi號(hào)訂閱相應(yīng)的主題），在成功綁定設(shè)備后即可進(jìn)入數(shù)據(jù)查看界面，得到如圖7所示的界面。與圖6終端顯示的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行對(duì)比，可以看出終端設(shè)備上的信息能夠很好的同步到微信小程序端（由于室內(nèi)測(cè)試時(shí)未接入風(fēng)速傳感器和雨雪傳感器，因此小程序端相應(yīng)的數(shù)值顯示為0）。

圖7 小程序監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看界面

待終端設(shè)備連續(xù)工作一段時(shí)間后，即可在微信小程序中點(diǎn)擊想要查看的環(huán)境參數(shù)圖標(biāo)進(jìn)入對(duì)應(yīng)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)查看界面。在此界面中可查看一段時(shí)間內(nèi)溫室參數(shù)的變化情況以及某一時(shí)間點(diǎn)的具體值。拉到小程序的底部，點(diǎn)擊查看全部數(shù)據(jù)記錄圖還可查看全部參數(shù)的變化情況，如圖8所示，通過觀察參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，能夠直觀地了解溫室內(nèi)外環(huán)境在一天的不同時(shí)段內(nèi)的實(shí)際情況以及變化規(guī)律。

圖8 參數(shù)變化趨勢(shì)

5 結(jié)束語

本文基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)搭建了一套高原日光溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的全時(shí)空監(jiān)測(cè)，為精準(zhǔn)化調(diào)控溫室內(nèi)環(huán)境非生物因子提供判斷依據(jù)，且具有良好的高原適應(yīng)性。利用與硬件端相適配的微信小程序能夠?qū)崿F(xiàn)異地查看溫室內(nèi)外環(huán)境，確保溫室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到溫室內(nèi)外環(huán)境發(fā)生異常變化時(shí)能夠及時(shí)的向用戶發(fā)送報(bào)警信息，有效地降低因溫室內(nèi)環(huán)境劇烈變化造成的損失，同時(shí)保障溫室內(nèi)作業(yè)人員的安全。通過查看、分析溫室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)在一天中各時(shí)段的變化趨勢(shì)，亦能夠更好地幫助農(nóng)戶總結(jié)規(guī)律，提高生產(chǎn)。綜上所述，使用本系統(tǒng)可有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策的科學(xué)性，促進(jìn)高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化。