基于NB-IoT的茶園監控系統的設計

阮星 譚鈞文 陳金水

摘? 要：本文主要對基于NB-IoT的茶山監控系統APP進行相關的設計，從APP的結構、構成和后臺進行闡述。通過硬件和軟件兩個方面進行實現：硬件方面主要是KL36單片機作為主要的處理器，通過各類與之相關的傳感器進行設計與開發，對電源、溫度傳感器、濕度傳感器、LCD、串口通信等模塊也統一進行了設計和規劃。軟件方面主要介紹了這套系統的運行方式，并且用手機APP的形式體現出來，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成本。

關鍵詞：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

溫濕度現在已經是工業生產和儲存過程中最常用、最普遍的參數。溫濕度的檢測在現在的檢測技術中占據了很大的比重，隨著科學技術日新月異的進步和社會生活環境的不斷發展，越來越多的行業對于溫濕度的要求開始變高。據不完全統計，全球每年有將近三分之一的產品是因為潮濕問題而變成了不良產品[1]。對于電力設備和工業精密儀器，潮濕已經成為困擾運營商的主要因素。而潮濕問題現在也成為電子設備需要克服的一個大問題，同時也是生產廠家面臨的最大問題。這些問題不止在工業中有這種影響，在農業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系到作物的產量和品質，這點在茶葉產地中尤其突出。

到現在為止，我國的很多地方，監測溫濕度依舊需要有經驗的農民通過身體觸感去判斷，或者通過大量的有線設備監控，但是有線設備不僅僅會因為鋪設大量光纖或者電纜降低整套設備的靈活性和延展性，而且當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]。當需要檢測的東西過多或者傳輸的數據過于龐大的時候，不僅僅會使成本直線上升，而且電線的分布會更加復雜，相互干擾的問題會更加嚴重。通過研究當前的溫濕度環境監控系統，使用物聯網技術設計溫濕度環境監控系統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是非常有意義的[3]。

1? 總體設計

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

從應用層面的技術開發角度來說，NB-IoT應用架構（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（HCI）三個組成部分，這種抽象為開發NB-IoT應用提供了理論基礎[5]。

2? 系統硬件電路設計

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

硬件電路的設計目標是將MCU、通信模組、電子卡、MCU最小硬件系統等形成一個整體，集中在一個SOC片子上，能夠滿足大部分終端UE產品的設計需要。設計的開發套件中內含電子卡，在業務方面，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BIOS+基本用戶程序），當用戶獲得該芯片，直接供電，即可運行程序，實現聯網通信。開發套件中的軟件設計目標是把硬件驅動按規范設計好，固化于BIOS提供靜態連接庫及工程模板，可節省開發人員的大量時間，同時給出與人機交互系統HCI的工程模板級實例，為系統整體聯通提供示范[6]。

3? 硬件系統和軟件的通信

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基站路由器構成。鐵塔是基站路由器支撐機構，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;從應用開發用戶編程角度來看，NB-IoT基站路由器是個中間過渡[7]。

信息郵局MPO中的云服務器CS可以是一個實體服務器，也可以是幾處分散的云服務器，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申請并繳納費用的。

云服務器通過一個固定的IP地址接收終端UE向固定端口發送的數據，通過偵聽程序負責接收這些數據，偵聽程序主要負責監視UE是否發來數據，若有數據，就把它收下來放入數據庫，還要負責把人機交互系統HCI送給終端UE的數據發送給終端[9]。

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

4? 手機APP設計

4.1? 手機APP開發平臺介紹

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

4.2? 手機APP界面框圖

APP的界面設計方面，我們遵循Google的Material Design設計理念，將界面進行了優化，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的架構設計和界面設計，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是蘋果公司的IOS和谷歌的Android系統，所以我們制作的與之相關的APP在兩個操作系統上面都是可以使用的，APP界面設計如圖3所示。

4.3? 手機APP與服務器連接

監測的數據通過各類傳感器上傳到服務器，手機APP通過post請求調用服務器預留給APP的一個API接口，將數據呈現到手機端，為了保證安全，APP上同時需要輸入云服務器具有權限的用戶名和密碼才可以訪問數據。

5? 結? 論

本文主要對基于NB-IoT茶山監控系統的APP進行相關的設計，從硬件的結構、構成、和后臺進行闡述。并且闡述了硬件和軟件APP需要的技術支持，其具有較高的應用價值和很大的市場空間。

參考文獻：

[1] 張伶鳦，王潤濤，張長利，等.基于調虧理論和模糊控制的寒地水稻智能灌溉策略[J].農業工程學報，2016，32（13）：52-58.

[2] 戴澤淼，王勝，梁繼會.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系統的設計與實現 [J].吉林師范大學學報（自然科學版），2015，36（2）：87-90.

[3] 馬從國，趙德安，王建國，等.基于無線傳感器網絡的水產養殖池塘溶解氧智能監控系統 [J].農業工程學報，2015，31（7）：193-200.

[4] 康維新.傳感器與檢測技術 [M].北京：中國輕工業出版社，2009.

[5] 趙多興.基于單片機的倉庫溫濕度監控系統設計 [J].農機使用與維修，2010（5）：97-98.

[6] 譚浩強.C程序設計 [M].第3版.北京：清華大學出版社，2005.

[7] 冀紅舉，段朝偉，張孟超.基于RS-485總線的溫室遠程監控系統 [J].微計算機信息，2012，28（4）：43-45.

[8] 谷士艷，李天來，王鐵良，等.日光溫室多點溫度智能檢測控制系統 [J].北方園藝，2006（1）：66-67.

[9] 朱俊光，高健，田俊，等.基于物聯網技術的遠程溫濕度監測系統 [J].實驗技術與管理，2014，31（11）：94-97+103.

[10] 張輝宜，孫倩文，袁志祥，等.基于無線傳感器網絡的溫濕度監控系統設計 [J].計算機技術與發展，2014，24（11）：246-249.

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、Java程序設計、Python。