基于NB-IoT技術(shù)的智慧牧場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

赫宜 付衛(wèi)國

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測；NB-IoT；傳感器；實(shí)時(shí)監(jiān)測；遠(yuǎn)程控制

0 引言

隨著5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，畜牧業(yè)的“智慧化”將是其今后發(fā)展的主要目標(biāo)。在5G技術(shù)引領(lǐng)下，基于NB-IoT環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)有著廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，可以為牧場的圈舍、飼料棚、擠奶廳等，牲畜活動場地提供溫度、濕度、氨氣濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在NB-IoT 通訊技術(shù)支持下，設(shè)備終端與云平臺可互聯(lián)、互傳，將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至云平臺，經(jīng)過系統(tǒng)分析處理后，由中心控制系統(tǒng)下發(fā)命令來控制圈舍等活動場地的應(yīng)用設(shè)施，便于對環(huán)境的監(jiān)控與管理[1]。

1.總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括數(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)處理、平臺端、應(yīng)用端等4個(gè)部分。該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。其中數(shù)據(jù)信息采集單元通過環(huán)境溫度、濕度、氨氣濃度、二氧化碳等傳感器模塊，采集環(huán)境中實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理單元以STM32嵌入式芯片為主處理器，依托NB-loT技術(shù)對數(shù)據(jù)采集以及平臺端之間在基站的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；平臺端通過云平臺實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測、接收環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)完成環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)等操作，具有消息推送、短信報(bào)警等功能，檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，管理云平臺具備設(shè)備綁定、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、預(yù)警等功能，便于對數(shù)據(jù)的處理與管理[2]。應(yīng)用端可以采用網(wǎng)頁端、手機(jī)端應(yīng)用平臺、手機(jī)App等進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和監(jiān)控應(yīng)用。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2，硬件設(shè)計(jì)是根據(jù)數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)處理單元采用一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，數(shù)據(jù)采集模塊主要用于監(jiān)測環(huán)境的溫濕度、二氧化碳、氨氣、光照等，NB-loT模組作為數(shù)據(jù)傳輸部分。NB-loT模組與數(shù)據(jù)處理單元連接，其功能是環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理，同時(shí)完成平臺與控制器間的數(shù)據(jù)通信、預(yù)警、控制等相關(guān)指令的交互。NB-IoT 是 IoT 領(lǐng)域一種新的技術(shù)[3]，NB-loT技術(shù)所構(gòu)建的系統(tǒng)模型應(yīng)用較簡單，只要有移動運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)即可，設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過NB-IoT模組連接其運(yùn)營商的基站，與服務(wù)器建立TCP連接，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至云平臺。

2.1 STM32最小系統(tǒng)

由于STM32 系列32 位單片機(jī)，內(nèi)核是Cortex-M3，具備了低成本、功能強(qiáng)大、低功耗等高性能的特性，系統(tǒng)選取此單片機(jī)，此單片機(jī)主處理器型號是STM32F103RCT6，存儲容量為128 KB，工作時(shí)溫度在-40～85℃，電源電壓為2～3.6V。最小系統(tǒng)有主控芯片、晶振電路、程序下載口等。由于集成了多種外設(shè)接口，可以采集多種傳感器數(shù)據(jù)，并通過選用的NB模組將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的云平臺。最小系統(tǒng)STM32的控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，可以實(shí)現(xiàn)對所有模塊的調(diào)用和控制，實(shí)現(xiàn)所有傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2.2 NB-loT 模塊

NB模組采用移遠(yuǎn)的SIM7000C，此模組的尺寸小、功耗低，通過電信、移動等運(yùn)營商的基站就可以實(shí)施遠(yuǎn)距離傳輸，無須搭建中繼網(wǎng)關(guān)，基站與節(jié)點(diǎn)直接交互數(shù)據(jù)，降低外界因素的干擾。主控制器STM32與通訊模塊SIM7000C通過串口通信，SIM7000C的功能很強(qiáng)大，只需要STM32通過串口發(fā)送幾個(gè)簡單的AT指令，就可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，其模塊電路如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理單元的通信串口UART1_RX，UART1_TX 通過電平轉(zhuǎn)換電路與SIM7000C 的通信串口NB_TXD ，NB_RXD進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對其通訊模組指令、數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。其中物聯(lián)網(wǎng)卡與通訊模組的30、31引腳連接，天線外置需要與60引腳RFANT相連，數(shù)據(jù)上傳與命令接收主要借助天線部分完成。NB-loT通訊模塊需移動運(yùn)營商的NB物聯(lián)網(wǎng)卡方能正常使用，每張物聯(lián)網(wǎng)卡都有自己唯一的身份IMSI 號，運(yùn)營商通訊網(wǎng)絡(luò)可有效識別各個(gè)節(jié)點(diǎn)的IMSI號。

2.3 數(shù)據(jù)采集單元

溫濕度、二氧化碳、氨氣濃度、光照強(qiáng)度等變送器模塊的通訊方式比較多樣化，有UART、485、RS232、LoRa等，使用一個(gè)MCU能夠兼容采集各種環(huán)境數(shù)據(jù)，依托RS485通信方式，可以把采集的環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理單元、然后通過NB-IoT模組發(fā)送給云平臺。采集接口電路如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示，傳感器性能參數(shù)如表1所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體化設(shè)計(jì)

智慧牧場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要分為NB-loT通訊模組數(shù)據(jù)傳輸程序、數(shù)據(jù)采集單元程序。整體程序設(shè)計(jì)運(yùn)用Keil MDK-ARM軟件編譯、調(diào)試。用標(biāo)準(zhǔn)C作為設(shè)計(jì)開發(fā)語言類型，采用JLink的SWD 方式給芯片燒錄HEX文件。在設(shè)備上電初始化運(yùn)行階段，各個(gè)硬件單元會進(jìn)入工作狀態(tài)，各硬件單元采用串口中斷服務(wù)。軟件主要有系統(tǒng)鑒權(quán)登錄、傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、模式設(shè)置。傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：溫濕度、二氧化碳、氨氣濃度、光照強(qiáng)度等實(shí)時(shí)狀態(tài)。模式設(shè)置：人工模式可手動控制，智能模式根據(jù)設(shè)定閾值智能決策。傳感器的數(shù)據(jù)通過NB模塊傳到相應(yīng)的管理云平臺。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)觸發(fā)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)的情況，應(yīng)用端會接收到相關(guān)信號。

3.2 數(shù)據(jù)采集單元軟件設(shè)計(jì)

變送器完成溫濕度、二氧化碳、氨氣濃度及光照強(qiáng)度等信息數(shù)據(jù)采集后，向數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)編寫的控制指令對變送器、燈光狀態(tài)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等進(jìn)行控制。實(shí)施的主要流程如下：首先是初始化相關(guān)設(shè)備或端口，如對NB-loT模組、串口及定時(shí)器等的初始化設(shè)置，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的類型，讀取串口數(shù)據(jù)，針對不同傳感器類型，使用單總線協(xié)議、I/O口設(shè)置等相關(guān)程序。在程序編寫時(shí)，重點(diǎn)注意匹配時(shí)間，如傳感器響應(yīng)的時(shí)間與數(shù)據(jù)總線 SDA 拉低的時(shí)間要符合。針對查詢請求的需求，打包傳感數(shù)據(jù)給變送器節(jié)點(diǎn)，然后無線發(fā)送給NB-loT模塊，對于控制指令，需要設(shè)置相關(guān)端口控制后端繼電器，然后定時(shí)讀取環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.3 NB-loT 通訊模塊軟件設(shè)計(jì)

NB-loT通訊模塊主要用于對變送器節(jié)點(diǎn)發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)的接收[4]，然后將接收的數(shù)據(jù)上傳到云平臺。通過串口發(fā)送的有：設(shè)備的注冊上線、數(shù)據(jù)的上傳、指令的下發(fā)和設(shè)備的注銷發(fā)送 AT 指令控制。為了進(jìn)一步減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)，提升系統(tǒng)運(yùn)行的速度，采用了直接存儲器訪問DMA串口中斷方式，而且數(shù)據(jù)采集端變送器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理端STM32主控制器、NB-loT模組以及平臺端3個(gè)部分之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與指令的正向與反向傳達(dá)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的可預(yù)警性，有效快捷地做出應(yīng)對措施。

3.4 構(gòu)建管理云平臺

研究構(gòu)建管理云平臺，優(yōu)勢在于能夠?qū)Χ喾N網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議給予支持，各類地貌場景覆蓋，在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中可以起到數(shù)據(jù)分發(fā)、節(jié)點(diǎn)管理等諸多作用。用戶可以通過注冊方式取得賬號，登錄進(jìn)入應(yīng)用界面，與管理云平臺建立通道[5]。關(guān)注管理的微信公眾號，也可以實(shí)現(xiàn)微信報(bào)警消息發(fā)送功能，綁定終端觸發(fā)器，達(dá)到預(yù)警報(bào)警功能。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)在銀川某合作試驗(yàn)牛場進(jìn)行測試試驗(yàn)，在該牧場內(nèi)隨機(jī)挑選一牛舍，牛舍內(nèi)部安裝一套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，目前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集40余萬條。各終端供電開機(jī)，采集環(huán)境數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)中的NB-IoT通信模塊進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測云平臺。在應(yīng)用端App監(jiān)測溫度、光照傳感器模塊變化情況，并實(shí)施跟蹤測試。試驗(yàn)開始前，在應(yīng)用端參數(shù)設(shè)置界面，將（風(fēng)扇）觸發(fā)器的溫度參數(shù)上限設(shè)置為24℃、下限為18℃，如圖6所示；將（燈光）觸發(fā)器的光照強(qiáng)度參數(shù)上限設(shè)置為100 Lux、下限為50 Lux，如圖7所示。上述作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)牛舍的溫度、光照強(qiáng)度處于預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，電腦云平臺WEB、手機(jī)App等應(yīng)用端發(fā)出告警信息，并將信息下發(fā)給觸發(fā)器，觸發(fā)器會根據(jù)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行風(fēng)扇和燈光的啟動或關(guān)閉。試驗(yàn)過程中，測試人員在牛舍內(nèi)，使用應(yīng)用端監(jiān)測到當(dāng)前溫度為22.8℃，光照強(qiáng)度為46 Lux，如圖8所示，此時(shí)手機(jī)應(yīng)用端也通過NBIoT通信模塊上傳收到相關(guān)的環(huán)境信息，測試人員在牛舍內(nèi)觀察到通道方向的8路風(fēng)扇陸續(xù)開啟，牛舍內(nèi)總共6路燈光全部開啟。如此可見，系統(tǒng)在測試現(xiàn)場能穩(wěn)定運(yùn)行，用戶能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)智能控制相關(guān)觸發(fā)器，管理相關(guān)應(yīng)用設(shè)施。

5 結(jié)束語

綜上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地對環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)。為相關(guān)場景管理人員提供實(shí)時(shí)信息，可輔助決策?；贜B-IoT技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以應(yīng)用在智慧城市、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等環(huán)境監(jiān)測的場景，解決布線復(fù)雜、傳輸能力差、人工監(jiān)測耗時(shí)費(fèi)力等問題，提高智能化、精細(xì)化水平和兼容性，有效地對各種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量綜合分析和評價(jià)、監(jiān)控和預(yù)警。隨著物聯(lián)網(wǎng)多樣化應(yīng)用、智能化發(fā)展，數(shù)據(jù)量不斷增大，再輔以大數(shù)據(jù)的分析處理，有著廣闊的前景和應(yīng)用價(jià)值。