基于NB-IoT的農林監測系統

蔡航宇　王天凱　江朝暉

摘 要：為了解決農林信息監測過程中通信信號差、監測環境惡劣以及供電困難等問題，采用窄帶蜂窩物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）方案設計了一種農林監測物聯網系統。該系統可對農林環境信息如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度以及生長信息如莖桿直徑變化量等進行精確采集，通過窄帶通信模塊上傳至物聯網云平臺，用戶在PC端和移動端接收基站傳輸的數據，進行實時、多模式監測。系統性價比高，可增添傳感器，適用于偏僻農田、山地、林地的多種信息監測。

關鍵詞：農林信息;監測系統;物聯網;窄帶通信;傳感器;云平臺

中圖分類號：TP391.4文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-000-04

0 引 言

隨著互聯網+的不斷發展與普及，信息化已成為農林經濟發展的助推器。對農林信息進行精確采集、分析能夠有效掌握其生長狀態，從而為農林管理部門提供數據支持[1]。

物聯網技術已成為農業信息化的主流技術，目前常見的物聯網建設方案[2-3]包括LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域物聯網），如NB-IoT，LoRa，SigFox，2/3/4G，以及ZigBee，2.4G（藍牙、WiFi等）。農林物聯網建設必須克服農田、林地、山地等信號較差、監測環境惡劣的情況[4]，因此考慮專為滿足長距離傳輸物聯網而設計的LPWAN技術[5]。其中NB-IoT是一種新興技術，構建于蜂窩網絡，大約消耗18 kHz帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡[6]。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現有網絡共存[7]。相比其他工作在非授權頻譜的LoRa，SigFox等技術，NB-IoT擁有低功耗、低成本、大連接、廣覆蓋等優勢[8]，被廣泛應用于農業監測、智能儀表、工業監控等方面。

本文采用基于運營商網絡的NB-IoT通信技術設計制作了一套農林物聯網監測系統。該系統可以精確采集農林空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、植株莖桿微變化等數據，并通過NB-IoT通信模塊經基站上傳到物聯網云平臺，用戶可通過PC端和移動端獲取上報的數據以實時監測農林環境和作物生長信息，傳感器可拓展，對農林行業的生產管理與研究具有重要意義與價值。

1 系統總體設計

系統由環境、生長感知模塊、NB-IoT無線通信模塊、監測數據查看平臺等構成。感知模塊包括光照強度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、莖稈微變化傳感器。主控芯片定時將采集的環境、生長數據通過NB-IoT模塊以CoAP透傳形式發送至物聯網云平臺[9]，最終數據被保存在物聯網云平臺的數據庫中，用戶通過登錄云平臺查看監測數據，也可通過移動端的微信小程序查看監測數據。系統架構如圖1所示。

2 系統硬件

監測終端由基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103主控芯片、傳感器模塊（空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、莖稈微變化傳感器等）、NB-IoT通信模塊、OLED顯示模塊、太陽能電池板及蓄電池構成，如圖2所示。

2.1 主控模塊

主控模塊采用基于Cortex-M3內核的32位嵌入式微處理器STM32F103RCT6，該款微處理器具有高性能、低功耗、低成本等特點。本系統主要應用該款處理器的ADC1，ADC2分別采集光照傳感器、莖稈微變化傳感器的光照強度值和莖稈增幅值。USART1與NB-IoT通信，USART2與空氣溫濕度傳感器通信（RS 485協議），讀取空氣溫濕度值，USART3與土壤溫濕度傳感器通信（RS 485協議），讀取土壤溫濕度值，I2C/SPI接口與OLED顯示屏連接，定時器控制工作時間間隔。

2.2 傳感器模塊

空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器為直流12～24 V供電，采用RS 485通信標準，即差分傳輸方式，最大速率可達10 Mb/s，傳輸距離超千米，能有效減少距離過遠和電子噪聲過大對于數據準確性的影響。傳感器的雙絞線分別連接對應的TTL轉485模塊的A/B端口，主控模塊的對應串口分別連接對應的TTL轉485模塊的TTL端口[10]。

光照強度傳感器采用RS-GZ-V05-2-65535型光照度變送器，該設備為直流12～24 V供電，0～5 V電壓型數據輸出，擁有IP67高防護等級可應對戶外惡劣環境等高濕場合。傳感器的模擬信號經A/D端口轉換成數字信號，交由主控模塊進行處理換算。

莖稈微變化傳感器采用LVDT8-A-5MM-DL型傳感器，為直流12～24 V供電，4～20 mA電流型數據輸出。在傳感器的信號輸出端連接一個120 Ω的電阻，主控模塊由A/D端口讀取電阻的電壓值[11]。

2.3 NB-IoT通信模塊

NB73-B5通信模組基于中國電信運營商網絡，工作頻段為850 MHz，可以實現串口設備到網絡服務器之間的雙向數據透明傳輸。設備通過串口與MCU通信，波特率為9 600 b/s，

使用TTL電平標準。采用3～16 V供電，模塊工作在CoAP透傳模式下。圖3所示為NB73-B5模塊原理。

2.4 供電模塊

系統供電模塊采用太陽能板和蓄電池結合的方式，將設備與太陽能控制器負載端相連，可以得到5 V電壓源。由于傳感器的工作電壓范圍為12～24 V，5 V電壓源經過XL6009升壓電路獲得24 V電壓[12]。主控模塊、NB-IoT通信模塊、TTL轉485模塊所需電壓為3.3 V，由5 V電壓源經過AMS1117-3.3降壓電路獲得3.3 V電壓[13]。為了降低耗能，系統采取間斷供電的方式給傳感器供電。繼電器的常開端口連接24 V電壓，常閉端口接地，公共端口接傳感器電源線。通過MCU的定時器控制繼電器信號觸發端每隔一小時電平由低變化為高，以此實現繼電器周期性吸合，傳感器間斷工作[14]。

3 系統軟件

3.1 系統工作流程

系統采取每隔一個小時作為一個周期的工作方式，能大幅降低系統功耗。系統工作流程如圖4所示。

3.2 數據采集

空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器皆為RS 485型傳感器，使用標準Modbus-RTU協議，主控模塊通過串口發送對應的問詢幀，經由TTL轉485模塊傳送至傳感器，傳感器接收到對應指令后返回應答幀，由MCU進行校驗并將十六進制數值換算為十進制，數據幀格式見表1所列。

由于光照強度傳感器和直線位移傳感器為模擬量傳感器，為保證數據的準確性與穩定性，主控模塊分別取40次電壓值的平均值作為本次采集的數值，由式（1）和式（2）換算得到光照強度和莖稈生長量：

3.3 MCU與NB-IoT模組通信

系統的主控制器在上電后會通過串口發送AT指令對NB-IoT模塊進行初始化配置工作。初始化工作分為兩步：

（1）MCU先向NB-IoT模塊發送AT+NRB（軟啟動）指令，此時NB-IoT模塊會執行軟啟動指令，發送成功后MCU打開空閑接收中斷，當接收到模塊返回正確的識別號后會進行下一步初始化工作，該過程在初始化失敗的前提下會重復執行5次，若5次依舊未正確接收到模塊識別號，OLED會顯示初始化失敗。

（2）NB-IoT模塊軟啟動成功后，繼續對模塊進行配置操作，如圖5所示。

圖6所示為中斷上電后自動與基站建立連接測試，圖7為與基站連接成功的顯示界面。界面實時顯示當前是否處于聯網狀態以及當前的信號強度與本地時間信息。

3.4 監測終端與云平臺通信

終端的NB-IoT模塊工作在CoAP（Constrained Application Protocol，受限制的應用協議）透傳模式下。CoAP協議是滿足物聯網場景的指定協議。MCU將傳感器采集的數據以3GPP標準AT指令的形式經串口發送給NB-IoT模塊。由于設備使用CoAP協議進行透傳，因此在整個數據傳輸流程中可以忽略NB-IoT設備，只看終端設備與云平臺服務器之間的實際通信即可。此時終端設備可作為從機，服務器作為主機，兩者采用ModBus-RTU數據格式進行傳輸，但實際應用中服務器和終端設備間存在網絡延遲、服務器并發等問題，故在應用中采取從機終端設備主動上報規則。終端上報的ModBus-RTU數據格式見表2所列。

3.5 數據獲取

由監測終端上傳的ModBus-RTU數據根據事先在云平臺添加的數據詞典進行解碼，最終還原出不同傳感器節點的數據。被還原出的數據會暫存在云平臺的數據庫中30天，數據詞典見表3所列。期間用戶可以登錄平臺查看上報的監測數據。同時在移動端可登錄微信小程序以JSON格式與云平臺交互，實現訂閱設備發送的數據流。

4 試驗及結果

在郊區大棚環境下進行系統測試。NB-IoT模塊在使用中桿天線情況下的RSSI（Received Signal Strength Indicator，無線接收信號強度）保持約26 dBm，屬于信號良好范圍。數據在網頁上的展示如圖8所示，不同的曲線分別為番茄莖稈直徑變化、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度節點數據。終端上傳的數據會在云平臺中暫存一個月，期間可通過登錄透傳云平臺調取數據。移動端的微信小程序使用云平臺提供的開放接口訂閱設備上傳上報的數據，如圖9、圖10所示。

5 結 語

綜合考慮建設成本、信號強度、連接規模、運營商政策支持、功耗等因素，NB-IoT技術相比其他類型的LPWAN技術更適合長延時低數據量的農林物聯網建設，尤其是NB-IoT在惡劣通信條件下依然擁有良好的信號質量。本文設計基于NB-IoT的農林信息監測系統，可采集空氣、土壤、光照、植株莖桿等多方面農林信息。該系統硬件成本小、傳感器擴展靈活、安裝使用方便，能滿足農林領域大規模部署的需求，具有良好的應用前景。

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