基于NB-IoT的農業生產監控設備開發

劉持標，李年攸，賴國良，裴 瑤

（1.三明學院 信息工程學院，福建 三明 365004；2.福建省農業物聯網應用重點實驗室，福建 三明 365004）

0 引 言

近年來，隨著人口的增多，農田土地面積減少，人們越來越重視農作物的生長質量及產量[1]。目前，影響農作物生產質量及產量的主要因素包括干旱、水澇、人為偷盜破壞、食草動物覓食破壞及鳥類采食破壞等[2-5]。這些農業生產環境及安全問題嚴重影響農作物產量和品質，防治和監測好該類農田，對于保障農業豐收、農產品質量安全和農民增收具有重要意義。現有技術中相關檢測干旱、水澇、火災及人與動物破壞農作物的主要方法為人工巡查，這不僅費時費力，而且難以及時及早發現農作物被破壞的狀況，嚴重影響農作物的生長質量及產量。

針對難以實時監控干旱、水澇及人與動物破壞農作物的情況，本文介紹了一款基于NB-IoT的農業生產監控設備。該設備使用NB-IoT通信技術完成與云服務中心的數據傳輸[6-7]。一方面，NB-IoT可以提供比現有無線技術多50～100倍的無線設備接入數，并降低物聯網設備的數據通信費用；另一方面，NB-IoT聚焦小數據量、小速率應用，設備功耗極低，能夠延長電池的使用壽命，有利于該設備在農業生產監控領域的推廣。

基于NB-IoT的農業生產監控設備主要包括STM32微處理器[8]、環境監測傳感器、NB-IoT模塊、蜂鳴器、開關電路等。環境監測傳感器由溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器、紅外感應傳感器、光照強度傳感器組成，用來監測農業生產環境參數。NB-IoT模塊用于將農田環境數據傳輸到云服務中心。通過所開發的微信小程序，用戶可實時查看農田安全環境數據，并且能夠實現遠程澆水及蜂鳴器控制。同時，所研發的NB-IoT農業物聯網設備及智能手機客戶端可以使農業生產人員無需花費太多時間與金錢，也無需雇傭專業人員即可自己購買設備進行智慧農業生產。農業生產人員可以在任何時間方便地添加NB-IoT硬件設備來擴大智慧農業生產規模。基于NB-IoT的智慧農業系統網絡拓撲圖如圖1所示。所研發的“前端、云端、客戶端”軟硬件系統運作模式可將位于任何地方的NB-IoT農業物聯網設備相關農業生產環境數據及控制數據發送到由企業或政府運營管理的云端農業物聯網數據服務中心。

圖1 基于NB-IoT的智慧農業系統網絡拓撲圖

NB-IoT智慧農業系統可以解決傳統智慧農業存在的“信息孤島”問題。通過數據融合與數據挖掘等智能技術，對云端農業物聯網數據服務中心的海量數據進行分析、處理，可為所有農業生產者提供智慧農業信息及決策服務，實現農業生產的智能監測與控制，大幅提升農業生產社會效益與經濟效益。

1 設備組成

1.1 STM32F103RET6處理器

STM32F103RET6處理器是ARM芯片眾多型號中的一種，它具有較大的閃存、較好的兼容性及較高的穩定性。該芯片擁有的閃存與RAM容量可滿足農業生產監控設備環境數據收集、傳輸及設備控制的需要。STM32F103RET6實物如圖2所示。

圖2 STM32處理器實物

1.2 NB-IoT通信模塊

BC95是NB-IoT通信模塊的一種，功耗小、成本低、易于續航，適合野外作業，其實物及電子原理如圖3所示。BC95模塊的VCC 3.3引腳接電源正極，GND引腳接地，RESET引腳為復位口。BC95模塊的TXD引腳用于發送數據，RI引腳用于模塊輸出振鈴提示。

圖3 NB-IoT通信模塊實物及電子原理圖

1.3 繼電器

繼電器是一種供電開關設備，被廣泛應用于自動控制電路中。在本設備中，繼電器通過0和1的高低電位變化實現遠程澆水的“開”與“關”功能。本設備所使用的SRD-05VDC繼電器實物及電子原理如圖4所示。

圖4 繼電器實物及電子原理圖

1.4 蜂鳴器

NB-IoT農業生產監控設備利用蜂鳴器進行環境異常警報。蜂鳴器實物及電子原理如圖5所示。蜂鳴器的V3腳為數據引腳，接收控制電位的變化，GND引腳接地。

圖5 繼電器實物及電子原理圖

1.5 土壤濕度傳感器

采用表面進行鍍鎳處理過的土壤濕度傳感器可擴展感應面積，提高導電性，其實物及電子原理如圖6所示。利用來自土壤濕度傳感器的數據變化，可以判斷農田是否存在干旱或水澇情況。該傳感器的1號引腳為數據口，2號引腳與電容相連接，3號引腳接地，4號引腳連接電源。

圖6 土壤濕度傳感器實物及電子原理圖

1.6 其他傳感器

本設備利用HC-SR501紅外傳感器對農田附近是否有人或者是否有動物出沒進行監測。紅外傳感器采用紅外技術對傳感器附近的紅外變化進行感應，從而輸出0或1電平。本設備利用煙霧傳感器監測農田周圍的煙霧值來判斷是否發生火災。煙霧傳感器電導率隨著煙霧值在一定量空氣中所占比例的提高而提高，通過轉換模塊將電導率轉化為氣體濃度值進行輸出。所制作設備的噪聲傳感器用于監測鳥類及動物的聲音，以判斷農田中大型動物及鳥類出現的頻率。光照傳感器用于監測農作物生長環境的光照強度，其內置16 bit A/D轉換器，工作電源電壓為3～5 V，可輸出數字信號，靈敏度高。

1.7 整體設備制作

PCB板焊接后的設備及封閉組裝的太陽能供電設備如圖7所示。利用透明的亞克力板將制作的電子設備進行封裝后，可提高該設備的抗外界干擾能力，延長設備壽命。太陽能板所產生的電源在經過轉化后，可持續為設備提供電力。

2 系統網絡拓撲結構

NB-IoT農田監控設備網絡拓撲結構如圖8所示。農田監控設備將收集到的數據通過NB-IoT模塊上傳至云服務器中心。智能手機端打開微信小程序，通過數據流或者無線熱點連接云服務器，用戶即可對所管理的農田監控設備進行遠程操作，實時查看農田情況。用戶還能夠在小程序客戶端設置環境參數預警值，當超過預警值時及時把信息反饋給用戶，便于用戶發現問題、解決問題。管理員可以通過電腦訪問對應的Web頁面管理用戶。

圖7 PCB板焊接后設備及封閉組裝的太陽能供電設備

圖8 NB-IoT農田監控設備網絡拓撲圖

3 軟件設計與實現

系統Web服務及客戶端功能如圖9所示。農業生產監控設備管理系統包含微信小程序客戶端與Web服務器兩部分。Web服務器是針對超級管理員與普通管理員開發的。管理員可以查看所有小程序用戶的反饋信息，顯示在頁面的字段包括微信號、反饋內容以及反饋時間。小程序擁有農田數據的查看、農業生產監控設備的遠程控制以及小程序用戶的基本服務功能。

圖9 系統Web服務及客戶端功能

微信小程序主界面如圖10（a）所示。用戶綁定好所管理的農業生產監控設備后，可以看到農田當前的溫度、濕度、空氣質量、光照強度、煙霧濃度、是否有人靠近農田等信息。同時，用戶還可以查看后臺管理員推送的相關信息。用戶側滑界面如圖10（b）所示，該界面擁有設備列表、天氣預報、意見反饋、個人日志、農業論壇、聯系方式六大功能。

用戶可通過微信小程序的用戶個人信息界面修改個人資料。小程序用戶側滑界面點擊微信圖像即可對個人信息進行操作，點擊“保存”后，微信用戶的信息會傳到后臺管理系統。當設備出現問題時，用戶可以通過用戶意見反饋界面在問題描述區編輯出現的問題，也可以通過上傳照片的方式直觀展現問題所在。點擊橙色的電話號碼可以聯系后臺管理員。

圖10 用戶主界面及側滑界面

反向控制界面如圖11（a）所示，用戶通過該界面可以遠程控制農田設備的蜂鳴器或者水泵。當按鈕顯示綠色時，表示“開”，當按鈕顯示灰色時，表示“關”。天氣預報界面如圖11（b）所示，通過該界面可以查看天氣預報，及時了解當地的天氣情況，提前做好防御工作。

圖11 反向控制及天氣預報界面

折線圖界面如圖12（a）所示，通過該界面可以實時查看農業生產環境情況。設置預警值界面如圖12（b）所示，通過該界面可以對農田環境數據的預警值進行設定，當超出預警值時，小程序會立即推送相關警報給用戶。

圖12 折線圖界面及設置預警值界面

4 結 語

本文所制作的NB-IoT農業生產監控設備可實時監測干旱、水澇及人與動物對農作物的破壞情況，并利用蜂鳴器示警及驅趕破壞性動物。農業生產監控設備上設有二維碼，所述設備持有人使用智能手機小程序掃描設備二維碼即可將設備與智能手機綁定。同時，云服務器還可以實時通知農戶農田的安全環境信息，農戶可遠程采取補救措施，為高效的智慧農業生產夯實基礎。