基于窄帶物聯網的智能溫室環境監測系統設計

翟浩霖 單潔

摘? ?要：文章主要闡述了基于窄帶物聯網的智能溫室環境監測系統的設計與實現過程。結合NB-IoT技術特點，將智能溫室環境監測系統與窄帶物聯網技術結合，將溫室環境信息實時上傳到云平臺，實現遠程監測和控制。系統以STM32F103RCT6為主控芯片，包括最小系統模塊，氣體濃度、光照強度、溫度濕度、土壤濕度傳感器模塊，窄帶物聯網模塊，Usart-GPU串口觸摸液晶屏幕顯示模塊，系統實現了溫室環境信息的采集、上傳、監測的一體化控制。

關鍵詞：環境監測系統;窄帶物聯網;云平臺

我國是一個農業大國，糧食是國家民生大計。在科技高度發展的當下，如何利用科技力量提高農作物產量，是現代農業發展亟待解決的問題[1]。目前，物聯網技術是解決智能農業問題的最佳方案[2]，以物聯網為基礎的數據采集傳輸系統結合農業控制系統，可以及時獲取農田環境信息并快速做出相應預案，保證控制的實時性，能夠節省大量勞動力資源。

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）已經成為萬物互聯網絡的一個重要分支[3]，能夠滿足數據上傳時間間隔長、文本信息數據量小、實時性要求不高、信號全面覆蓋、占用帶寬低的需求[4]。

基于窄帶物聯網的智能溫室環境監測系統，是將物聯網技術和環境監測系統相結合，利用窄帶物聯網覆蓋范圍廣、成本低廉的技術特點，將其應用到農業生產中[5]，是現代農業的發展趨勢。

1? ? 系統總體設計

1.1? 系統總體結構框架

基于窄帶物聯網的智能溫室環境監測系統，結合傳統農業生產和種植方式，采用NB-IoT技術，利用云平臺，實時顯示溫室種植環境信息，可以對溫室環境信息進行遠程檢測和異常情況報警。系統后臺對采集到的環境信息進行研究和大數據分析，使農作物生長環境保持在最利于其生長的環境。因此，利用窄帶物聯網技術可以使農作物達到高效生產的結果。

本系統主要由環境監測系統的主控制器，氣體濃度傳感器模塊，Usart-GPU串口觸摸液晶屏模塊，光敏型光照強度傳感器模塊，M5310-A傳輸模塊，溫度、濕度傳感器模塊，電容型土壤濕度及酸堿性傳感器模塊構成，系統框架如圖1所示。

1.2? 系統功能概述。

本系統可以對溫室環境進行實時監測和控制。首先，由系統的各類傳感器模塊采集農作物生長環境的空氣溫度及濕度、光照強度、土壤濕度及酸堿性、氣體濃度等環境信息的數據值，并顯示在屏幕中。然后，將該信息通過NB-IoT模塊上傳到中國移動onenet物聯網云平臺，并以折線圖形式可視化顯示。操作人員通過云平臺檢測以及指令下發實現對系統的控制。最后，所有的農業環境信息都通過云平臺顯示出來，用戶無論在何處，只要通過電腦或者手機登錄云平臺就可以看到溫室環境狀況并進行相應的控制操作。

2? ? 系統軟硬件設計

2.1? 系統硬件設計

系統硬件包括：主控制器、供電電源和降壓電路、風扇繼電器控制電路、NB-IoT模塊電路、Usart-GPU串口觸摸液晶屏電路、傳感器電路。系統供電由12 V-3 A的供電電源和5 V輸出的降壓電路完成，傳感器電路對農業環境信息的采集和顯示由主控制器、各個傳感器和觸摸屏共同完成，整個系統和云平臺的連接由NB-IoT模塊完成。

本系統主控制器為STM32F103RCT6芯片，其編程集成度極高，工作電壓3.6 V，內核為32位CortexTM-M3中央處理器，CPU頻率為72 MHz，具有51個通用和復用功能輸入/輸出（Input/Output，I/O），2個直接內存讀取和存儲的控制器，3個12 bit精度的模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）。

NB-IoT模塊電路分為M5310-A模塊電路和NB-SIM卡槽電路，其SIM卡連接M5310-A模塊的復位引腳、時鐘引腳、接地引腳、供電引腳和數據傳輸引腳。

串口液晶屏Usart-GPU模塊包含液晶顯示觸摸屏、MCU和EEPROM存儲器。在串口屏中，漢字和圖片庫的相關信息都已經通過EEPROM儲存到屏幕內部。在使用時，系統5 V供電，只需要將串口液晶屏的供電引腳連接5 V電壓，串口屏的發送端連接作為主控制器最小系統板的串行異步通信接口USART2的數據接收端（GPIOA的引腳3），串口屏的接收端連接最小系統板的串行異步通信接口USART2數據發送端（GPIOA的引腳2），通過發送儲存在儲存器的相應指令就可以實現需要的功能。傳感器電路模塊包括：空氣溫濕度傳感器，光照強度傳感器，土壤溫濕度、酸堿度傳感器，氣體濃度傳感器等。

2.2? 系統主控軟件設計

系統主控制程序包括主控制器對農業環境的溫度、濕度、光照強度、土壤濕度、二氧化碳濃度的數據進行采集、顯示、上報。當主控制器上電之后，配置系統時鐘和外設初始化。在各個模塊初始化結束之后，程序進入主循環，等待云平臺或者觸摸指令，進行相應的操作。信息采集完成后傳輸給主控制器的是電壓數據，例如，溫濕度傳感器傳輸的是40 bit的數字量，只需要一根DATA傳輸線就可以完成數據的接收。onenet物聯網云平臺支持在云端平臺實現對嵌入窄帶物聯網技術的設備管理，用戶可以登錄云平臺監控設備的上線或者下線情況。

3? ? 系統調試和結果

連接了12 V輸出的鋰電池之后，進入系統主界面，分別顯示環境信息和數據上傳兩個觸摸區域。觸摸環境信息區域可以采集并顯示各類溫室環境信息;觸摸數據上傳區域顯示數據上傳界面，分為時間設置、打開上傳、關閉上傳3個觸摸區域。觸摸時間設置區域可以人為設置上傳到云平臺的時間間隔;觸摸打開上傳區域可以將采集到的環境信息通過NB-IoT模塊上傳到云平臺，在云平臺上以折線圖的形式使數據可視化顯示;觸摸關閉上傳區域可以停止將數據上傳云平臺。在onenet物聯網平臺的設備管理界面中點擊控制選項，例如風扇控制等，可以實現對設備的開關控制。

4? ? 結語

本課題開發了一套基于窄帶物聯網的溫室環境監測系統，主要把近兩年發展迅速的窄帶物聯網技術嵌入到主控制器中，對環境信息進行采集并上傳到onenet物聯網云平臺，同時在云平臺可以進行控制指令的下發。

在未來農業系統發展過程中，對窄帶物聯網技術的需求會越來越多，將該項數據傳輸潛力巨大的技術和環境監測系統相結合，應用到農業生產活動中，使其更高效、更便捷。

[參考文獻]

[1]張震宇.智慧農業物聯網系統[J].物聯網技術，2019（5）：6-8.

[2]萬晨威.基于嵌入式開發的智慧農業系統[J].現代農業研究，2019（9）：121-122.

[3]候海風.NB-IoT關鍵技術及應用前景[J].通信世界，2017（14）：1-2.

[4]甄楊.基于NB-IoT的城市智慧燃氣計量[J].科技經濟導刊，2019（9）：36.

[5]魏霞.基于物聯網的智能農業系統運用[J].農業工程，2019（2）：19-21.