一種智能大棚的溫濕度檢測系統

金恩曼 陳培余

摘要：針對大棚種植中溫濕度等環境參數實時檢測存在的問題，筆者結合最新的窄帶物聯網技術，提出了一種新型的智能大棚溫濕度檢測系統。該系統基于STM32微處理器，選用DHT11溫濕度傳感器，選用華為OceanConnect作為物聯網云平臺，給出了整個系統的軟硬件設計方案。測試表明，該系統運行穩定，數據可靠，滿足智能大棚溫濕度實時檢測需求。

關鍵詞：智能大棚;溫濕度;NB-IoT;OceanConnect

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0085-03

0 引言

我國是人口大國，又是農業大國，大棚種植在農業生產中占有非常重要的地位。又隨著人們生活水平的提高，對大棚種植農產品的品質提出了更高的要求。溫度和濕度是影響大棚種植的關鍵環境因素，因此對大棚溫濕度的檢測具有非常重要的意義。

最早的大棚溫濕度檢測以人工方式為主，該方式工作量大，效率低，成本高。隨著計算機技術尤其是通信技術的發展，基于自動化的實時檢測系統成為主流。目前多數系統采用基于Zigbee組網通信技術的檢測方式，該方式具有低功耗和組網能力強等優點，但存在通信距離短，需要大量網關開銷等缺點[1]。當前，隨著窄帶物聯網技術（NB-IoT）的不斷成熟，芯片成本不斷下降，NB-IoT在智慧農業中的應用成為新的發展趨勢。NB-IoT具備廣覆蓋、大連接、低功耗和低成本等特點，非常適合點多且分散的室外應用場景[2]-[3]。本文將采用NB-IoT技術、結合傳感器技術、微處理技術和移動互聯技術，解決智能大棚內溫濕度檢測存在的布線難和不能遠程監控等問題。

1 系統架構和功能

本系統是綜合嵌入式軟硬件技術、NB-IoT通信網絡、華為OceanConnect云平臺和移動APP為一體的物聯網系統。如圖1所示，溫濕度傳感器、STM32主控制器和NB-IoT模塊組成信息采集端，該采集端作為獨立的嵌入式系統，分布于大棚內的主要區域。主控芯片通過單總線協議采集溫濕度數據，并通過NB-IoT網絡上傳到華為云平臺。華為云平臺提供基于NB-IoT通信業務的物聯網終端設備的快速接入，實現溫濕度信息的可視化展示和管理。云平臺向信息采集端提供基于CoAP協議通信的南向接口，向應用服務器提供基于HTTP協議通信的北向接口。

2 系統硬件組成

系統硬件組成如圖2所示，主要由溫濕度傳感器，最小系統和NB-IoT模塊及其外圍電路等3大部分組成。

2.1 溫度傳感器

溫濕度傳感器采用DHT11芯片。該芯片是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。具有成本低、響應快、抗干擾強、精確校準等優點。該芯片具有4個引腳，分別為VDD、DATA、NC和GND。DHT11與微處理的硬件連線如圖3所示，其中VDD（1 Pin）為芯片供電引腳，供電電壓3V-5.5V，DATA引腳（2 Pin）為串行數據線，與主控器的GPIO口連接，實現溫濕度數據的采集，NC引腳懸空，GND（4Pin）引腳接地。

2.2 最小系統

最小系統中包括主控制器、電源、晶振、復位電路和下載電路。主控制器采用STM32L431RCT6芯片，該處理器基于ARM-M4內核，32位位寬，運算速度快，處理能力強，并支持睡眠等低功耗工作模式，內部集成豐富的接口資源，是意法半導體公司針對物聯網應用場景推出的一款高性能處理器[4]。晶振電路可以使用內部晶振和外部晶振，只需通過軟件配置即可，本系統中，選用8MHz的外部晶振;復位電路用來使系統恢復到出事狀態的電路，本系統設計中，復位引腳連接彈性按鍵接地，并在按鍵上并聯一個電容;下載接口使用SWD 四線接口。

2.3 NB-IoT模塊及外圍電路

本系統中，NB-IoT模塊采用Quectel的BC95模組。該通信模組工作在850MHz頻段，支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP通信協議，發射功率為23dB±2dB，并支持省電模式（PSM）下。主控制器以AT指令控制BC95模組，通過串口與NB-IoT模組通信。當處理器采集到溫濕度數據后，由BC95模組通過射頻天線發送到基站，經運營商核心網絡到達華為云平臺。

NB-IoT模塊外圍電路如圖2所示，主要包括供電電路、通信接口電路、SIM卡電路、濾波天線電路。供電電源采用板載3.3V供電，電源端連接電容并接地;通信接口主要為串口，實現模組和MCU之間通信。由于NB-IoT使用蜂窩網絡，因此與手機通信一樣，需要有SIM卡進行身份的識別和鑒權。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要分為信息采集端軟件設計，云平臺開發和移動端App開發三個部分。

3.1 信息采集端軟件設計

信息采集端軟件設計實現功能包括最小系統的正常運行，溫濕度數據的采集和NB-IoT模組的入網。其中最小系統的軟件開發采用STM32CubeMX工具。該工具是意法半導體公司針對STM32系列MCU推出的圖形化開發工具，通過圖形化的配置自動生成開發初期芯片相關的初始化代碼。本系統中，利用STM32CubeMX完成系統時鐘、定時器、串口初始化等功能配置并生成基本開發環境。采集端軟件開發流程如圖4所示，微處理器通過下發AT指令完成NB-IoT模組入網，開啟定時功能，周期性采集溫濕度數據并上報。

（1）溫濕度數據采集。本系統中，主控制器通過GPIO端口引腳連接DHT11的DATA管腳，實現單總線的數據采集。該總線即作為MCU的輸出控制總線，又作為DHT11的數據輸入總線。用戶主機（MCU）發送一次開始信號后， DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40bit的數據，并觸發一次信號采集。其中位數據“0”的格式為：50ms的低電平和26-28ms的高電平，位數據“1”的格式為：50ms的低電平加70ms的高電平。控制DHT11芯片獲取溫濕度數據的時序參考該芯片使用手冊。

溫濕度采集測試結果如圖5所示。

（2）NB-IoT入網。由于NB-IoT網絡馱載在移動蜂窩上的，因此跟手機通信一樣，在進行數據傳輸之前要向基站注冊入網。控制器采集到溫濕度數據后，按照用戶自定義協議編碼，通過串口發送至NB-IoT模組，模組將數據封裝成CoAP協議包后發送至基站，最后經核心網轉發至IoT平臺處理。在整個通信過程中，MCU對模組控制以及數據的發送接收都是基于AT命令實現的[5]。如圖6AT命令測試結果所示，為本系統中關鍵AT指令及其返回信息：1）指令“AT+CGSN=1”：查詢模塊序列號。本系統中BC95模塊序列號為867725030245702，該序列號將在云平臺部署時被使用。2）指令“AT+CSQ”：查詢當前環境信號強度，范圍為0-31。本系統測試環境信號強度為17，信號一般。3）指令“AT+CEREG？”：查詢網絡注冊狀態，即查詢網絡注冊是否成功。本系統中，執行該命令后返回結果第二個參數為“1”，表示注冊成功;否則為“0”，表示尚未注冊成功。4）指令“AT+NCDP=49.4.85.232，5683”：配置CDP服務器（云平臺）的IP地址及端口，本系統中，華為OceanConnect云平臺地址為49.4.85.232，端口號為5683。5）指令“AT+NMGS=3，010203 ”：向CDP服務器上報數據。第一個參數為數據長度，第二個參數為十六進制數據。

3.2 云平臺部署

物聯網云平臺提供設備接入、設備管理和數據分析存儲功能，并向各種應用提供接口服務。本系統采用華為的OceanConnect云平臺做應用開發。該平臺通過開放API和IoT Agent實現與上下游產品能力的無縫聯接，從而給客戶提供端到端的高價值行業應用。OceanConnect云平臺開發工作主要包括產品創建、Profile定義、編解碼插件開發、真實設備部署。

（1）產品創建：設置產品信息，包括產品名稱、產品型號、廠商ID、設備類型以及應用層協議類型。

（2）Profile定義：即設備的抽象模型，用于描述設備具備的能力和特性。OceanConnect提供多種設備的Profile模板，用戶可直接在此基礎上修改，或者也可以自定義產品模板。本系統中，根據溫濕度傳感器的屬性，創建一個Humiture的服務，在該服務下依次創建Temperature和Humidity屬性，數據類型為decimal。

（3）編解碼插件開發：由于NB-IoT設備上報數據一般采用二進制格式，而物聯網云平臺采用Json格式，因此，需要進行編解碼插件開發，實現二進制數據和Json格式數據的轉換，從而實現NB-IoT終端和OceanConnect通信。

（4）部署真實設備：設置設備名稱和設備標識。設備標識為必須唯一，一般為IMEI或MAC號。本系統中使用BC95模塊序列號867725030245702。

云平臺測試結果如圖7所示，當前溫度為28.0℃，濕度為95.0RH%。

3.3 移動端App設計

為實現溫濕度數據遠程檢測功能，本文基于Android Studio工具開發了一款溫濕度檢測APP。該App登錄界面為云平臺的接入信息，包括云平臺IP地址和端口號，應用ID及密碼，顯示界面包括溫度值和濕度值，移動終端App及其測試結果如圖8所示。

4 結語

本文結合最新的窄帶物聯網技術，設計了一種溫濕度檢測系統。對系統總體方案、軟硬件設計進行了詳細闡述。測試結果表明，該系統可以實現溫濕度數據遠程檢測功能。該系統具有設備節點管理方便、功耗小、成本低、數據可靠性高等優點，適用于智能大棚等智慧農業應用場景。

參考文獻

[1] 周海鴻，周嘉奉.基于ZigBee技術的溫濕度監測系統[J].國外電子測量技術，2015，34（7）：75-79.

[2] 董勁文.窄帶物聯網（NB-IOT）的技術分析及其應用前景[J].通訊世界，2018（7）：1-2.

[3] 張良德.NB-IoT的及應用研究[J].通信設計與應用，2017（1）：115-116.

[4] 曹小娜.ST STM32L4：整合Cortex_M4內核超低功耗高性能MCU[J].世界電子元器件，2015（4）：42-43.

[5] 蔣震.基于NB-IoT的溫濕度采集系統設計與實現[J].信息化研究，2018，44（6）：63-68.